Краткий курс литологии

поверхности раздела кристаллической решетки минералов — си­ ликатов и воды всегда имеется отрицательный заряд, притягиваю­ щий диполи воды. Последние облегчают выход катионов металлов из кристаллической решетки силикатов. Переход катионов из ре­ шетки в окружающую воду зависит от их ионного потенциала, ко­ торый представляет собой отношение заряда катиона к его ионному радиусу.

В. Гольдшмидт по величине ионного потенциала разделил все катионы на три группы (рис. 2.4).

Рас творимые катионы (Na+, Са2+, Mg2+), ионный по­ тенциал которых меньше 3,0, имеют относительно слабый заряд, который тем не менее притягивает диполи воды, образуя сольватированные ионы (рис. 2.5). В этой форме они и выносятся водой после высвобождения из кристаллической решетки минерала.

Рис. 2.5. Сольватироваипые (окруженные диполями воды) катионы:

а— натрия; б — кальция

Кэтой же группе относятся и сильно растворимые катионы ка­ лия, рубидия, цезия, обладающие очень малым ионным потен­

циалом, которые из-за очень слабого заряда не притягивают ди­ полей воды (негидратнруемые катионы).

Катионыгидролизаты (Al3+, Fe3+, Мп4+), величина ион­ ного потенциала которых больше 3,0, но меньше 9,5, обладая сред­ ним ионным потенциалом, образуют с водой не сольватированные, а гидратированные ионы, например:

А13++3 Н20 —*А1 (ОН)3+ 3 Н+

На рис. 2.3 можно видеть, что вынос гидроокислов железа и

алюминия в виде истинных растворов из зоны химического вывет­

(рис. 2.6). В то же время кремнезем, освобождающийся при раз­

1 3 5 7 9 11 13 pH

Рис. 2.6. Влияние pH на окислительно-восстаиови- тельный потенциал некоторых реакций и харак­ теристика основных типов природных вод в си­ стеме pH—Eh (Т. Dercourt, Т. Paquet, R. Feirbridge; с изменениями):

3 — воды осолоненных эвапоритовых бассейнов; 4 — болотные поды; 5 — подземные воды

О к с и а н и о н ы [С03]2-, [Р 04]2-. [S04]2“, имеющие ионный потенциал больше 9,5, образуются в результате диссоциации соот­ ветствующих оснований. В природных водах они мигрируют обыч­ но в форме [НС03]“ [Н2Р 0 4]- и являются хорошо растворимыми.

Кроме величины pH важную роль во всех геохимических реак­ циях играет так называемый окислительно-восстановительный по-

тенциал среды, или «редокс-Eh». Он показывает возможность оки­ сления или восстановления различных элементов, находящихся в растворе. Каждый металл может быть охарактеризован величи*

восстановительные. При этом металлы, обладающие большей от­ рицательной величиной окислителыю-восстамовителыюго потен­ циала Eh, будут восстанавливать (вытеснять из растворов солей) металлы с меньшей отрицательной величиной Eh. Например, Ehpc = —0,44К, a Ehcu = +0,351/, поэтому CuS04-fFe = FeS04+Cu.

Значение величины Eli многих реакций сильно зависит от pH среды, в которой протекают эти реакции. Примером может слу­ жить рис. 2.6, на котором приведены также параметры основных типов природных вод, в которых протекает большинство химиче­ ских реакций, в том числе реакций, сопровождающих химическое выветривание материнских пород.

Устойчивость некоторых компонентов осадочных пород в при­ родных условиях, в зависимости от Eli и pH среды, иллюстрируется рис. 2.7 (по В. Крамбейну и Р Гаррелсу).

Учитывая то, что подавляющая масса минералов горных пород относится к классу силикатов, рассмотрим принципиальную схему

сти земли горные породы, находится в тесном контакте с огромным количеством кристаллических частиц минералов, слагающих эти породы.

На поверхности кристаллов ортоклаза всегда имеются ненасы­ щенные валентности кислорода. Дипольные молекулы воды ориен­ тируются своими положительными концами в направлении этой поверхности. Образуется мопомолекулярный слой ориентирован­ ных диполей. В слоях диполей, расположенных дальше от поверх­ ности кристалла ортоклаза, степень ориентированности диполей достаточно быстро уменьшается. В решетке ортоклаза наблюдает­ ся высокая концентрация ионов К+, отсутствующего в воде; в воде же имеются ионы Н+, которых нет в минерале. Между кристалли­ ческой решеткой минерала и диполями воды начинается обмен ионами. Ионы К+ освобождаются из решетки минерала и покидают ее в форме К+ОН“. Устойчивость кристаллической структуры ор­ токлаза нарушается. При наличии циркуляции воды катионы ка­ лия удаляются и реакция продолжается. Высвобождение К+ пу­ тем обмена с ионами Н+ окружающей минерал воды активизи­ руется в условиях кислой среды.

Особую роль в процессах химического выветривания играют продукты разложения органики и прежде всего растительные ос­ татки в почвенном слое. При этом образуются большие количества углекислого газа С02, различных углеводородных газов, а также гумусовые кислоты. Последние вместе с Н2С03 создают кислую реакцию среды в зоне выветривания, участвуют в химическом раз-

тионы (Na, Са, Mg, К) представляют собой комплекс возможных межслоевых катионов, компенсирующих свободные валентности, возникающие при замещении алюминия магнием и железом или кремния алюминием и трехвалентным железом.

Долгое время среди литологов господствовали представления о широком развитии в зонах выветривания новообразованных глини­ стых минералов типа гидрослюд (иллита). Согласно этим пред­ ставлениям полевые шпаты и мусковит гранитоидных пород и гней­ сов на начальной стадии выветривания превращаются в гидрослю­ ды и лишь при более интенсивном процессе химического выветри­ вания последние преобразуются в каолинит. Эти взгляды нашли достаточно широкое освещение в литературе.

Однако детальные исследования кор выветривания гранитоид­ ных пород, проведенные в разных странах в последние годы, не подтверждают наличия промежуточных минералов типа гидро­ слюд при переходе полевых шпатов в каолинит. На примерах по­ казано, что каолинит непосредственно замещает полевые шпаты при их выветривании в различных климатических условиях.

Данные экспериментального изучения минералообразования в системе Si02—А120 3—К2О—Н20 при разных температурах и дав­ лениях, а также геологические наблюдения указывают на то, что формирование минералов группы гидрослюд (иллита) происходит лишь при температурах, превышающих 100—150 °С, т. е. не может реализоваться в условиях зоны поверхностного химического вы­ ветривания.

Представления об обязательном «гидрослюдистом» этапе хими­ ческого выветривания связаны с тем, что глинистые минералы типа гидрослюды (иллита) широко распространены в толщах оса­ дочных пород, особенно в глинах. Они являются породообразую­ щими компонентами многих почв в зоне умеренного климата, что создает впечатление об их новообразованном характере. При про­

ния, гидрослюды являются преобладающими минералами, выноси­ мыми из области размыва в виде механических взвесей. Попадая после переноса в бассейн оеадконакопления, они представляют со­ бой реликтовые аллотигенные компоненты.

В то же время в толщах песчано-глинистых пород в процессе

трансформация минералов, новообразованных в зоне химического выветривания (монтмориллониты, каолиниты), в гидрослюды и да­ лее в серицит и мусковит. Широко известна серицитизация и гидрослюдизация полевых шпатов магматических пород, связанная с процессами их гидротермального изменения.

При интенсивном выносе катионов в условиях промывания зоны выветривания водой атмосферных осадков, особенно в жарком влажном климате, при обилии растительной органики процессы

шей интенсивности и глубины процессы химического выветривания достигают в тропических и субтропических районах, где развивают­ ся латеритпые коры выветривания. Для них характерно развитие нескольких горизонтов, отражающих различную глубину химиче­ ской переработки материнских пород. Снизу вверх обычно выде­ ляются (рис. 2.9):

1.Свежий, невыветрелый гранит.

2.Горизонт измененного гранита, разбитого трещинами на бло­ ки, рыхлого, слабо выветрелого, мощностью около 3,0 м.

3.Горизонт структурных глин (литомарж), сохраняющих струк­ туру гранита, в которых находятся включения, имеющие форму кристаллов полевых шпатов, но состоящие из белого каолинита, а также реликтовые зерна неизмененного кварца. В верхней части го­ ризонта каолипитовые глины имеют пятнистую окраску из-за при­ сутствия гидроокислов железа. Мощность горизонта — около 3,0 м.

4.Горизонт от кирпично-красного до темпо-бурого, иногда поч­ ти черного цвета, представляющий собой плотную камнеподобную, часто шлаковидную с поверхности, сцементированную массу, назы­ ваемую кирасой. Для латеритных кирас характерно практически полное отсутствие катионов Na, К и Са, невысокое содержание као­ линита и резкое возрастание содержания А1(ОН)3 и Fe(OH)3. Породы, слагающие кирасы, представляют собой латериты — про­ дукт полного гидролиза силикатов и выноса всех подвижных ка­ тионов. Мощность кирасы — около 4,0 м.

5.Современная коричнево-серая почва, обогащенная каолини­ том с большим количеством гумуса, покрытая слоем гниющих растительных остатков. В основании почвенного слоя имеется мас­ са кремнисто-железистых конкреций. Мощность почвы— 1,5—1,7 м.

Коры выветривания такого типа широко распространены, напри­ мер, в странах Тропической Африки. /Мощность латеритных кор выветривания может достигать нескольких десятков метров. На о. Мадагаскар отмечены коры выветривания мощностью до 120— 130 м. В последние годы вместо терминов «латеритное выветрива­ ние», «латеритные коры» чаще используются термины «ферралитное выветривание», «ферралитные коры».

Впроцессах ферралитного выветривания все силикаты материн­ ских пород полностью гидролизуются и даже кварц испытывает частичное растворение, образуя сахаровидные скопления. Все ионы силикатов, особенно К, Na, Са и Mg, выносятся из зоны выветри­ вания обильно промывающими ее дождевыми водами. Частичному выносу подвергаются кремнезем и малоподвижные катионы А1 и Fe.

Всоставе пород, слагающих латеритный (ферралитный) про­ филь, принимают участие три главных новообразованных в про­

цессе гидролиза силикатов компонента:

—окислы железа в форме гётита или гематита;

—окислы алюминия, обычно в форме гиббсита или реже бёмита. Окислы алюминия образуются в наиболее хорошо дренируе­ мой зоне, т. е. выше уровня грунтовых вод.

—каолинит, который также формируется при хорошем дрена­ же, но чаще в условиях постоянной влажности, т. е. ниже уровня грунтовых вод.

Горизонт цементации, или как его называют «кираса», возни­ кающий в ферралитном профиле, — явление факультативное и не повсеместное. Однако для Суданской и Суахильской зон Африки кирасы, венчающие разрезы во многих районах, — характерный элемент рельефа. Существование латеритно-железистых панцирей на поверхности плоских возвышенных элементов рельефа долгое время объяснялось капиллярным подъемом соединений железа снизу вверх и их приповерхностной концентрацией под влиянием испарения воды в течение сухого сезона. В последнее время ряд исследователей пришли к 'выводу, что катионы железа, высвобож­ давшиеся при гидролизе силикатов, были подвижными в связи с обогащением просачивающейся воды органикой и созданием вос­ становительных условий. Мигрируя вниз, катионы железа достига­ ли поверхности грунтовых вод, уровень которых колебался внутри профиля выветривания в зависимости от количества поступавшей воды. При смене восстановительной обстановки на окислительную, например в результате жизнедеятельности бактерий, именно окис­ ление железа приводило к его фиксации в виде окислов и гидро­ окислов.

В том случае, если горизонт цементации (кираса) в результате эрозии самого верхнего, почвенного слоя (после исчезновения ле­ са) обнажался, оказавшаяся на дневной поверхности кираса еще бо­ лее затвердевала, приобретала окраску от темно-бурой до черной и шлаковидный облик.

Необходимо отметить, что такие кирасы, теряя постепенно же­ лезо как элемент более подвижный, чем алюминий, могут обога­