Хімічне вивітрювання

Хімічне вивітрювання протікає одночасно і взаємопов’язано з фізичним. В результаті цього процесу відбуваються істотні зміни в структурі гірських порід, їх міцності, кольорі і хімічному складі окремих мінералів та у їх фізичних властивостях. З хімічних елементів зруйнованих мінералів відбувається нове поєднання елементів і утворення інших мінералів.

Отже фізичне руйнування ніби готує породи до хімічних процесів. Звичайно ж, чим дрібнішими стали частини порід і мінералів – тим інтенсивніше протікають хімічні процеси, які завершуються в більшості випадків утворенням так званих глинистих мінералів.

Головними факторами хімічного вивітрювання є вода, вільний кисень, вуглекислий газ і органічні кислоти.

Вода в природних умовах завдяки тривалій дії може приводити до значних хімічних перетворень, навіть тоді, коли відсутні інші агенти хімічних процесів. Якщо атмосферний кисень без води, то і він не дуже активний. Як відомо, сухі залізні вироби не іржавіють, але як тільки їх змочити водою – вони покриваються іржею. Це тому, що нейтральна молекула 0₂ розпадається на одноатомні негативно заряджені іони 0^2- і вони швидко з’єднуються з атомами заліза. Або ще такий факт: сухий вуглекислий газ (СО₂) хімічно інертний, але у воді він утворює вугільну кислоту Н₂СО₃, яка потім розпадається на іони Н⁺ і СО₃². Ці іони мають велику хімічну активність.

Хімічна активність води спричинена частковою дисоціацією її молекули Н₂О на іони Н⁺ і ОН^-. Причому, ступінь дисоціації значно зростає з підвищенням температури. Тому вода особливо активна в жаркому кліматі.

Процеси, що протікають при хімічному вивітрюванні можуть бути зведені до окислення, гідратації, розчинення і гідролізу.

Окислення, тобто приєднання кисню, найбільш активно відбувається у залізистих мінералів, сульфідів і силікатів. Залізо, яке появилось після вивітрювання мінералів, в результаті окислення переходить у високовалентні сполуки. Прикладом може бути окислення магнетиту, який переходить після цього в умовах сухого клімату в гематит: 4Fe₃О₄ + О₂ →6Fe₂О₃. При цьому у магнетиту руйнується кристалографічна решітка і він переходить у аморфну масу, з якої потім утворюються нові кристали гематиту. У вологих умовах утворюється гідрогематит – Fe₂О₃→Н₂О і лімоніт – 2Fe₂О→3Н₂О. Багатий на воду лімоніт надає вивітреним породам бурий і жовтий кольори, а бідні на воду гідрати і безводний окисел заліза – червоний колір. В умовах перенасичення порід водою до залізистих мінералів кисню проникає мало. Якщо ж в осадках є багато органіки (наприклад, в болотах і озерах) – то значна частина кисню витрачається на її розкладання і тому середовище втрачає окислювальні умови і переходить у відновлювальні. В таких умовах залізо переходить у закис (FeО), а кольори осадочних порід мають зеленуватий відтінок.

При взаємодії з киснем і водою сульфіди стають нестійкими і поступово замінюються сульфатами і оксидами. Пірит, наприклад, вивітрюється за такою схемою:

FeS₂ +nО₂ + mH₂O → FeSO₄ → Fe₂(SO₄)₃ → Fe2O3∙nH2O → Fe₂O₃∙nH₂O – лімоніт.

Отже, поступово із піриту утворюється лімоніт – найбільш стійка сполука заліза на поверхні Землі. Саме тому на багатьох сульфідних родовищах існують так звані “залізні шляпи”, які утворені лімонітом (бурим залізняком).

Крім сказаного, слід відзначити, що процеси окислення можуть протікати і в залізистих силікатах – таких, як олівін, піроксени, амфіболи, в результаті чого двохвалентне залізо переходить у трьохвалентне і мінерали покриваються бурою кіркою.

На завершення розгляду окислення відзначимо, що глибина проникнення вільного кисню може бути різною: від кількох метрів (в районах розвитку торфяників і вічної мерзлоти) до 1 км і більше (в розломах земної кори).

Гідратація відбувається при дії води на мінерали, в результаті чого вона вбирається мінералами, що приводить до утворення нових мінералів – переважно гідросилікатів і гідроксидів.

Мінерал класу сульфатів ангідрит (безводний гіпс) при гідратації переходить у гіпс звичайний:

CaSO₄ + H₂O →CaSO₄∙2H₂O.

При нагріванні гіпс втрачає воду і знову стає ангідритом. В результаті гідратації гематиту утворюється лімоніт:

Fe₂О + nH₂O →Fe₂O₃∙nH₂O .

Розчинення – це здатність молекул однієї речовини поширюватись внаслідок дифузії в другій речовині без зміни їх хімічного складу. Вода в природних умовах ніколи не буває хімічно чистою. В ній завжди є речовини у вигляді розчинів або колоїдного стану. Присутність у воді водневих і гідроксильних іонів кисню і вуглекислоти надають їй окислювальні властивості, а також посилюють її дії на гірські породи.

Розчинність води залежить від ступені концентрації водневих іонів і вільної вуглекислоти.

Процес повного розчинення мінералів спостерігається в соленосних товщах, гіпсах, доломітах, мергелях і навіть у сульфідах. Проте з води ці ж самі мінерали можуть знову випадати у вигляді осадків при зміні температури, тиску та інших умов (див. “Геологічні процеси в озерах”). Це стосується в першу чергу карбонату кальцію (реакція зворотна)

СаСО₃ + H₂СО₃ = Са²⁺ + 2НСО^- ,

де – СаСО₃ – кальцит; H₂СО₃ – вуглекислота; Са²⁺ – іон кальцію; 2НСО^- – іон бікарбонату.

Гідроліз – це реакція обмінного розкладу між водою і хімічними сполуками, в результаті чого вони розщеплюються на більш низькомолекулярні сполуки. Цей процес іде, як правило, разом з розчиненням. В результаті цього руйнується кристалографічна решітка (особливо у силікатів) і створюється нова, що має шарувату будову.

Молекула води має полярну будову: один її край має два позитивно заряджені атоми водню, а другий – один негативно заряджений атом кисню. Коли молекула води попадає на кристал, вона своїми кінцями приєднується до протилежно заряджених іонів кристала і забирає їх. Так відбувається частковий виніс кремнезему. Але крім того іон водню (Н⁺) та іон гідроксильної групи (ОН^-) можуть вступити в реакцію з речовиною кристала. Атоми в кристалах можуть бути замінені також іонами НСО₃^-, SО₄^2-, Сl^-, Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺ і К⁺, які завжди є у природних водах. Може бути й навпаки, коли із польових шпатів виносяться К, Nа, Са, які, поєднуючись з СО₂, утворюють розчини бікарбонатів і карбонатів: К₂СО₃, Na СО₃, СаСО₃. Ці речовини можуть бути винесені водами за межі їх утворення, або випадають на невеликій глибині від поверхні, і тому відбувається карбонатизація порід (в умовах засушливого клімату). Можуть вони також утворювати льодоподібні кірки на поверхні підземних карстових озер.

Процес гідролізу відбувається послідовно і досить тривалий час. Якщо взяти найбільш яскравий приклад – перетворення польових шпатів у зоні хімічного вивітрювання, то після першої стадії гідролізу утворюється гідрослюда, після другої – каолініт чи галуазит. В умовах вологого тропічного клімату розкладання каолініту продовжується до вільних оксидів і гідроксидів алюмінію, які є складовими частинами бокситів – руди для одержання алюмінію.

Як ми уже відзначили, силікати (в тому числі і польові шпати) складають більшу половину об’єму земної кори. А тому гідролізу цих мінералів належить провідне місце в хімічному вивітрюванні.

Таким чином, відповідно до розглянутих процесів, можна простежити (за Б. Б. Полиновим) 4 стадії хімічного вивітрювання: утворення уламкових порід – збагачення порід карбонатами – утворення глинистих мінералів (в тому числі і каолінових) – утворення латеритів. Остання стадія протікає тільки у тропіках і вологих субтропіках. В умовах помірного клімату хімічне вивітрювання доходить до стадії глиноутворення.

Щодо інтенсивності руйнування мінералів – то необхідно відзначити, що вона в олівіну, рогової обманки і авгіту більша, ніж у польових шпатів. Тому основні і ультраосновні гірські породи, в яких переважають названі мінерали, більш податливі до хімічного вивітрювання і на них часто спостерігаються потужні товщі продуктів різної ступені руйнування. Тільки на зернах кварцу практично не видно впливу процесів хімічного вивітрювання.