1. Фізичне вивітрювання

Головними чинниками цього процесу є зміна температури та руйнівна діяльність води, льоду та вітру. В ряді випадків фіксується певний вплив тектонічних рухів. Фізичне вивітрювання, призводить до дезінтеграції порід, їх розпаду на окремі уламки різноманітного розміру від значних брил до щебеню, піску і дрібного пилу включно.

Зміна температури (добова і сезонна). Відомо, що всі тіла при нагріванні розширюються, а при охолодженні стискуються. Гірські породи складаються з маси зерен різноманітних мінералів. При цьому різні мінерали мають різні коефіцієнти лінійного (рис. 4.1) і об'ємного розширення, тобто при нагріванні на 1С збільшують свою довжину або об’єм на різну величину (табл. 4.1, 4.2).

У тих районах, переважно гумідного клімату, де є значні сезонні коливання температури, вода, що просочує всі породи, при відповідному зниженні температури замерзає. При замерзанні води (оскільки вона при замерзанні збільшує свій обсяг приблизно на 9%) в тріщинках, порах і пустотах гірських порід кристали льоду розклинюють, розривають породи. Такий самий розклинюючий вплив на породи може бути наслідком росту (переважно в умовах арідного клімату) в тріщинах кристалів розчинних з'єднань (кальцит, гіпс тощо). У зв’язку з цим часом говорять про сили кристалізації, як один з чинників процесу фізичного вивітрювання.

Тектонічні рухи. При тектонічних рухах відбувається механічне дроблення порід при згинанні шарів, утворенні складок, різного роду розривних порушеннях (наприклад, тектонічні брекчії). При цьому породи можуть бути інтенсивно подрібнені - розсікатися системами тріщин на окремі блоки.

Ударна дія води (абразія). Хвилі морського прибою інтенсивно руйнують берегові породи.

Ударна дія вітру (коразія). Вітер, що несе частки піску, активно руйнує масиви гірських порід.

Ерозійна діяльність льоду (екзарація). У зонах високих широт Арктики й Антарктики, а також у високогір’ях Землі гірські породи дробляться під впливом пересування льодовиків.

Найбільше яскраво фізичне вивітрювання материнських порід проявляється в областях гірського рельєфу, у зонах пустель, для яких характерні значні добові або сезонні коливання температур, а також у районах високих широт Арктики й Антарктики, де руйнація материнських порід здійснюється при активній участі льоду.

2. Хімічне вивітрювання

Процеси хімічного вивітрювання дуже складні і до кінця ще не вивчені. Провідними реакціями хімічного вивітрювання є: а) вилуговування; б) окислення; в) гідратація; а також гідроліз материнських мінералів під впливом води, карбонатизація тощо.

Вилуговуванням називають розкладання силікатів та виніс катіонів у вигляді легко розчинних солей (декатіонізація). Як вже відмічалося вище, розкласти силікати важко. В лабораторних умовах для цього використовують плавикову кислоту (HF). Але в природі силікати розкладаються найслабкішими кислотами, хоча й за значно довший термін.

Активність води характеризують концентрацією в розчині водневих іонів (Н⁺), яка визначається аргументом негативного логарифма цієї концентрації pH. Величина pH=7, характерна для води за нормальних умовах, прийнята за характеристику нейтрального розчину (кількість іонів [Н⁺] і [ОН^-] приблизно рівна). При pH >7 розчин має лужну реакцію, при pH<7 - кислу. Багато дослідників (Г. Окамото, Т. Окура, К. Гото, К. Краускопф і ін.) відзначають сильну залежність рухливості (розчинності) таких компонентів, як кремнезем, гидроокислы заліза й алюмінію, від значення pH природних вод (мал. 4.3).

В природних водах pH змінюється в широких межах, що впливає на процеси хімічного розкладу силікатів. Найбільш кислими є болотні та торфові води, а найбільш лужними – води солоних озер та деяких грунтових вод засолених грунтів.

Будучи електролітом, вода більшою чи меншою мірою розчиняє майже усі відомі мінерали, часто з утворенням гідратованих іонів. Багато мінералів вступають із водою в реакції обмінного розкладання, або гідролізу.

Гідроліз катіонів залежить від pH і температури середовища. На поверхні поділу кристалічної гратки мінералів - силікатів і води завжди є негативний заряд, що притягує диполі води. Останні полегшують вихід катіонів металів із кристалічного гратки силікатів. Перехід катіонів із гратки в навколишню воду залежить від їхнього іонного потенціалу, що є відношенням заряду катіону до його іонного радіусу.

В. Гольдшмідт за величиною іонного потенціалу розділив усі катіони на три групи:

Розчинні катіони (Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺), іонний потенціал котрих менше 3,0, мають відносно слабкий заряд, який проте притягує диполі води, створюючи сольватовані іони. У цій формі вони й виносяться водою після звільнення з кристалічної гратки мінералу.

До цієї ж групи належать і сильно розчинні катіони калію, рубідію, цезію, іонний потенціал яких дуже малий, які через дуже слабкий заряд не притягають диполів води (негідратовані катіони).

Катіони-гідролізати (Al³⁺, Fe³⁺, Mn⁴⁺), величина іонного потенціалу яких більше 3,0, але менше 9,5, маючи середнім іонний потенціал, утворюють із водою не сольватовані, а гідратовані іони.

Оксианіони [CO₃]^2-, [РO₄]^2-, [SO₄]^2-, що мають іонний потенціал більше 9,5, утворяться в результаті дисоціації відповідних основ. У природних водах вони мігрують звичайно у формі [НСО₃]^-, [H₂PO₄]^- і є добре розчинними.

***

Особливу роль у процесах хімічного вивітрювання грають продукти розкладання органіки і насамперед рослинні залишки в грунтовому прошарку. При цьому утворяться великі кількості вуглекислого газу CO₂, різноманітних вуглеводневих газів, а також гумусові кислоти. Останні разом із H₂CO₃ створюють кислу реакцію середовища в зоні вивітрювання, беруть участь у хімічному розкладанні силікатів. З катіонами багатьох металів гумусові з'єднання утворюють стійкі металоорганічні комплекси (гумати), що у формі колоїдних розчинів можуть виноситись з зони хімічного вивітрювання. Крім того, гумусові з'єднання діють як відновники на окисли багатьох металів. Закисні ж з'єднання металів значно розчинніші, ніж окисні з'єднання, що також сприяє їхньому виносу з зони вивітрювання.

Взагалі розчинна активність води сильно підвищується в присутності розчиненого у воді вільного вуглекислого газу . Головним фактором хімічного розкладання силікатів є наявність вільної (агресивної) вуглекислоти в зоні гіпергенезу.

У результаті взаємодії CO₂ і продуктів гідратації катіонів, які покидають кристалічну гратку силікатів (у випадку з ортоклазом це KOH), утворяться карбонати (2KOH+СO₂ = К₂CO₃+H₂O), що у вигляді розчину покидають зону реакції. При наявності у воді достатніх кількостей CO₂ погано розчинні карбонати багатьох металів переходять у добре розчинні бікарбонати, які й виносяться у вигляді розчинів із зони реакції. Розчинність багатьох бікарбонатів металів у 10-50 разів вище за розчинність їх карбонатів .

Процеси розкладання породоутворюючих мінералів під дією CO₂ та H₂O можна виразити наступними реакціями:

В умовах глибокого хімічного вивітрювання, у зоні тропічного і субтропічного клімату, може реалізуватися повний гідроліз силікатів, так зване латеритне вивітрювання з утворенням простих окислів і гідроокислів. При цьому руйнується каолініт і утворюються скупчення гідроокислів алюмінію - боксити:

Окисленням називається процес дії кисню повітря, чи розчиненого у воді, на мінеральні сполуки. Окисленню піддаються мінеральні сполуки що мають елементи з кількома ступенями валентності: залізо, марганець, сірка, органічні сполуки. Найінтенсивніший характер процес окислення носить в розчинах при значній дисперсності речовини.

Ступінь окисленості чи відновленості з’єднань та середовища оцінюється за величиною окисно-відновного потенціалу, або «редокс-Eh».

Сульфіди заліза під дією води і кисню активно піддаються процесам гідратації і окислення за схемою:

1) утворення маловодних сульфатів (закис)

2FeS₂+H₂O+7O₂ -> 2FeSO₄*H₂O +2H₂SO₄

2) утворення багатих водою сульфатів (закис)

FeSO₄*H₂O +4H₂O <-> FeSO₄*5H₂O

3) утворення багатих водою сульфатів (окис)

4FeSO₄*5H₂O+2H₂SO₄ +O₂ -> 2Fe₂(SO₄)₃*7H₂O

4) утворення гідроокислу

2Fe₂(SO₄)₃*7H₂O <-> 2Fe(OH)₃+H₂O+3H₂SO₄

Сірчана кислота, яка виділилася при розкладанні сульфідів сприяє виносу в розчиненому стані, у вигляді сульфатів, багатьох катіонів, в тому числі Mn³⁺ та Al³⁺.

В природних водах завжди наявна також соляна кислота. Вона переводить катіони різних мінералів в стан легкорозчинних хлоридів, і таким чином сприяє їх виносу.

Азотна кислота утворюється в незначних кількостях при грозових розрядах (як і перекис водню), а також при окисленні вміщуючих азот органічних сполук.

Крім неорганічних кислот розчинення силікатів відбувається також і під дією гумусових кислот, які утворюються за рахунок розкладання органічних речовин. Хоча ці кислоти є слабкими, але вони все ж розкладають силікати з утворенням гумінових солей різних металів (металоорганічні сполуки) в тому числі Fe та Al. Ці сполуки добре розчинні в кислому або нейтральному середовищі і можуть виноситись водою.

Таким чином, на поверхні землі силікати й інші магматичні мінерали піддаються хімічному вивітрюванню. При цьому частина хімічних з'єднань, що утворилися, виноситься у вигляді справжніх або колоїдальних розчинів. Інша частина у вигляді новоутворених мінералів залишається на місці. Серед них переважають різноманітні глинисті мінерали, гідроокисли заліза, іноді алюмінію. Крім того, у зоні вивітрювання залишаються деякі мінерали, або збережені не зміненими (наприклад, кварц), або не до кінця вивітрені.

51. Типи літогенезу, його фізико-хімічні фактори (температура, тиск, окисно-відновні умови тощо) та геохімічні риси.

Дуже суттєвим для характеру протікання процесів літогенезу є вплив клімату. Вже на стадії вивітрювання материнських порід кліматичні умови багато в чому визначають особливості і глибину процесів механічного роздроблення і хімічного розкладення материнських порід, тобто характер продуктів вивітрювання.

Процеси осадочної диференціації, осадконакопичення контролюються фізико-хімічними умовами, у яких вони протікають, тобто середньорічною температурою, вологістю або кількістю атмосферних осадків, випаровуванням. Перераховані параметри і є клімат - типовий для даної області стан метеорологічних умов. Клімат, у свою чергу, визначає інтенсивність розвитку біологічних процесів, що чинять як прямий, так і непрямий вплив на вивітрювання материнських порід і вилучення різноманітних з'єднань із природних розчинів, тобто на процес осадконакопичення.