Глава 2. ВЫВЕТРИВАНИЕ (ГИПЕРГЕНЕЗ) ГОРНЫХ ПОРОД

Гипергенез - это совокупность процессов разрушения пород на поверхности Земли и на дне водоемов. В стадию гипергенеза происхо­ дит подготовка (мобилизация) вещества к его дальнейшему превраще­ нию. Выветривание приспосабливает глубинные породы к поверхност­ ным условиям, при этом изменяются физические свойства пород, их минералогический состав. Основным первоначальным источником многих осадочных пород являются глубинные породы гранитно-мета­ морфического и гранулито-базитового слоев. Это подтверждает также химический состав трех групп пород, он обладает определенной общностью. Имеются и различия в количественных соотношениях.

А. Б. Ронов отмечает, что важнейшие особенности осадочных пород прежде всего проявляются в повышенном содержании в осадочной оболочке воды, углекислоты, органического углерода, а также таких "избыточных летучих" компонентов как сера и хлор (табл. 1). Послед­ нее свойство рассматривается всеми геохимиками как указание на их непосредственное выделение из глубинных зон Земли. Другая важная особенность осадочных пород - высокое по сравнению с магматичес­ кими и метаморфическими породами содержание кальция. Характерен

Таблица 1. Средний химический состав частей литосферы, %, по А. А. Ярошевскому (1985 г.)

13

для осадочных пород сдвиг в пользу калия отношения натрия к калию. Отчасти это объясняется их разной ролью при минералообразовании, калий входит в состав самых распространенных глинистых минералов. Натрий же освобождаясь и переходя в растворы, пополня­ ет соленость вод Мирового океана. Однако баланс не полностью выдержан, имеющееся соотношение натрия к калию в стратисфере не компенсируется избытком натрия в океане, что приводит к дефици­ ту натрия в этих двух оболочках. По понятным причинам осадочным породам свойственна повышенная величина отношения содержания окисного железа к закисному. Заметно понижается в осадочных породах содержание кремнезема и алюминия. Наблюдаются различия и в минеральном составе. Многие минералы, образовавшиеся в глу­ бинных зонах земной коры, неустойчивы на поверхности (оливин, авгит, анортит, ферромагнезиальные), и поэтому их мало в осадочных породах. Другие минералы (глинистые, карбонаты, соли) являются осадочными образованиями. Кварц, некоторые слюды, плагиоклазы достаточно распространены на глубине и на поверхности.

Типичные океанические осадки по сравнению с осадочными породами континентов тоже имеют свои особенности. Это проявляется в составе глинистых минералов, в более высоком содержании карбо­ натных составляющих, в пониженном содержании терригенных компо­ нентов Al2 O3 и TiO2 . Отношение оксидов натрия к калию здесь сдвину­ то в пользу натрия.

На стадии гипергенеза происходит разрушение и изменение мине­ ралов пород, подвергающихся воздействию поверхностных агентов, формирование исходного материала для будущих осадков, а также могут возникать породы той группы, которую мы называем осадочны­ ми. При рассмотрении общей совокупности стадий литогенеза в широ­ ком понимании гипергенез представляется как начальное звено последующего прогрессивного развития. Однако при остановке на какой-то из стадий и переходе к регрессивному направлению процес­ сов гипергенез может проявляться и в виде завершающей стадии.

Выветривание подразделяется на поверхностное и глубинное, ниже уровня грунтовых вод. Полно проявляющийся гипергенез в аэробных условиях называется идиогипергенезом, затрудненное выветривание в анаэробных условиях называется криптогипергенезом. В частности, к гипергенезу можно отнести некоторые виды вывет­ ривания в глубинных зонах, где снижено влияние свободного кисло­ рода, нет фактически зависимости от климата. Подводное выветрива­ ние носит название г а л ь м и р о л и з .

Основные факторы выветривания по характеру основного воздей­ ствия на породы разделяются на физико-механические, химические и биологические. К физико-механическим факторам относятся сила тяжести, колебания температур, ударные и сдвиговые воздействия

14

воды, ветра и т. д.; к химическим - растворяющее действие воды, влияние кислорода, углекислоты и других газов атмосферы, воздейст­ вие различных кислот, к биологическим - комплексное воздействие организмов, как механическое (илоеды, корни растений), так и хими­ ческое.

Характерными процессами выветривания являются механические разрушения и образование в разной степени дисперсных частиц, растворение, окисление, гидратация, гидролиз и химическое разложе­ ние. На поверхности земли выветривание зависит от климата и текто­ нического режима местности. Повышенная температура и большое количество влаги (влажные тропики) ускоряют и усиливают выветри­ вание, особенно химическое. Наиболее полно породы перерабатывают­ ся процессами гипергенеза при спокойном тектоническом режиме в условиях медленного постепенного воздымания (многие районы Центральной Африки). В тектонически активных областях усиленный снос материала не позволяет развиваться выветриванию до конца. При быстром накоплении отложений процессы выветривания также не могут сколь-нибудь полно развиваться.

Главным итогом физического выветривания, которому способст­ вуют снятие давления при воздымании, колебания температуры, кор­ розия и дефляция, эрозия, абразия и экзарация, является дезинтегра­ ция или дезагрегация воды. Когда порода распадается на отдельные компоненты, образуется дресва или песок. Продукты минеральной дезинтеграции часто представляют главную составную часть осадоч­ ных образований. Некоторым эффузивным и тонкозернистым породам свойственна глыбовая дезинтеграция. Главными процессами химичес­ кого выветривания являются окисление, растворение, выщелачивание

игидратация.

Внаиболее развитом профиле коры выветривания выделяются отдельные горизонты. Наиболее слабо измененный горизонт залегает на поверхности коренных пород и состоит из дезинтегрированных обломков (щебень и пр.). При слабо развитом химическом выветрива­ нии (например, в полярных областях) преобразование может этим и ограничиться. Залегающий выше следующий горизонт назван В. В. Доб­ ровольским гидрослюдисто-гидрохлоритовым. В горизонте сохраняет­ ся лишь внешний вид структуры горной породы в обломках. Большая часть первичных минералов полностью замещена агрегатами новообра­ зованных (в основном чешуйки новообразованных глин).

Еще более глубокое преобразование связано с выносом веществ. Прежде всего выносятся все легко растворимые соли: хлориды, суль­ фаты, карбонаты. Одновременно начинается гидролиз силикатов и алюмосиликатов и вымывание из них щелочных и щелочно-земельных элементов. Железо достигает высшей степени окисления,образуются сгустки его оксидов и гидроксидов в виде лийз и пропластков лимо-

15

нита. Оксиды алюминия, как наиболее трудноподвижные, также постепенно относительно обогащают этот горизонт, который В. В. Добровольский называет горизонтом глиноземистых и железистых глин. Когда выветривание в составе элювиального плаща происходит в присутствии повышенного количества органических остатков расти­ тельности, оно еще более усиливается вследствие воздействия гуминовых и других кислот. В самом верхнем горизонте наиболее развитой коры выветривания остаются конечные продукты - гидроксиды железа, марганца и алюминия, которые с оставшимися зернами кварца заключены в глинистой массе. Наиболее полное и глубокое выветрива­ ние в гумидном климате низких широт приводит к формированию латеритовкрасноокрашенной коры выветривания. Горизонты скоп­ лений оксидов железа образуют в латеритном горизонте так называе­ мые кирасы.

Растворимость различных минералов при выветривании сильно различается в зависимости от разных причин. Так, например, присутст­ вие сульфатов в водах повышает растворимость доломита. Серная кислота, которая получается при окислении сульфидов, способствует выносу в растворенном состоянии образующихся сульфатов ряда металлов. С участием органических кислот при разложении силикатов образуются органоминеральные соединения (гуматы) железа, марган­ ца, алюминия, которые сравнительно хорошо растворимы. Углекис­ лый газ, растворенный в воде, повышает ее агрессивность по отноше­ нию к карбонатам.

Различные минералы в зоне выветривания ведут себя неодинако­ во, они характеризуются разной устойчивостью как в химическом, так и в физическом отношении. Из полевых шпатов наименее устойчивы при выветривании основные плагиоклазы, они редко встречаются в осадках. Значительно более устойчивы кислые плагиоклазы и калие­ вые полевые шпаты. Орто- и метасиликаты, которые составляют меньшую часть объема кристаллических пород и присутствуют в виде цветных минералов,также мало устойчивы. Особенно быстро разруша­ ются оливины и пироксены.

Основные и ультраосновные породы очень быстро выветриваются, места их выходов обычно отмечаются бурыми пятнами скоплений оксидов железа. В связи с сильным разрушением эти элементы образу­ ют очень малый процент акцессориев в обломочных породах. Повы­ шенное содержание отмечается лишь в шлейфах обломочного материа­ ла в непосредственной близости от источников. Устойчивость слюд довольно слабая. При выветривании происходит замещение катионов молекулами воды, образуются гидрослюды. Биотит менее устойчив, чем мусковит. Карбонатные породы относительно легко растворяются в водах, особенно содержащих CO2 . Фосфатные минералы и глауконит очень быстро разрушаются в результате окисления и растворения.

16

Большинство сульфидов легко разлагается, относительно устойчивы­ ми являются пирит и галенит. Органическое вещество окисляется, "сгорает" при выветривании. Его также разлагают микроорганизмы. Более устойчивы сильно измененные нафтиды и углистое вещество. Из растительных тканей наиболее устойчивы смолы, вещества оболочки

спор, кутикулы (спорополленины, кутины и др.).

H. В. Логвиненко приводит следующий ряд устойчивости основ­ ных породообразующих минералов.

Весьма устойчивые: кварц, гидроксиды железа; устойчивые: мусковит, ортоклаз, микроклин, кислые плагиоклазы; неустойчивые: средние плагиоклазы, пироксены, амфиболы, кальцит, доломит, глауконит; очень неустойчивые: основные плагиоклазы, биотит, гипс, ангидрит, сидерит, галит.

Как видно из изложенного, в ходе химического выветривания горных пород можно выделить несколько стадий, в том числе по скорости выноса отдельных компонентов или их подвижности. Наибо­ лее подвижные, по Б. В. Полынову, хлор и сульфат-ион, подвижные - натрий, магний, кальций и калий, мало подвижна кремнекислота, наименее подвижны - оксиды железа и алюминия. В разных условиях последовательность может меняться. Например, в восстановительной среде железо и марганец в виде оксида (III) (закиси) очень подвижны. При выветривании породы обедняются более подвижными компонен­ тами и относительно обогащаются малоподвижными.

Ряды подвижности элементов контролируют последовательность выветривания породообразующих минералов. Это было отмечено еще в 1938 г. С. Гольдичем, который показал, что среди темноцветных минералов последовательность выветривания следующая: оливин - пи­ роксены - амфиболы - биотит. В ряду плагиоклазов разрушаются раньше других кальциевые разности, затем кальциево-натриевые, натриево-кальциевые, натриевые и калиевые. После названных выше компонентов начинается выветривание мусковита и, наконец, кварца.

Эта последовательность по существу представляет обратный порядок последовательности кристаллизации минералов в извержен­ ных породах.

Параллельно с окислением идут процессы гидратации - обогаще­ ния минералов водой. Вода обычно в какой-то степени диссоциирова­ на на ионы водорода и гидроксила. Обычно степень диссоциации невелика и не отражается на величине рН. Но в некоторых случаях рН у воды заметно меньше 7, и это способствует ее большей активности. Гидратация приводит к увеличению объема вещества. При гидратации могут образовываться вещества с иной растворимостью, чем прежде, и это важно для их подвижности. Таким образом, в результате химичес­ кого выветривания растворимые вещества отделяются от нераствори­ мых остаточных продуктов. Отделение одних веществ от других зна-

17

мемует первый этап дифференциации. К растворимым относятся сое­ динения таких элементов как щелочные металлы (в основном К и Na), Mg, Ca, Sr. Растворы выносятся и попадают в море, где впоследствии осаждаются и входят в состав известняков, доломитов, эвапоритов. На месте остаются кварц, трудноперемещаемые оксиды, какое-то количе­ ство полевых шпатов или продуктов их разложения и слюд.

Важной стороной химического выветривания является образова­ ние глинистых минералов. Глинистые минералы относятся к сложным водным алюмосиликатам. При разложении полевых шпатов и других минералов и формировании на их основе глинистых минералов основ­ ные ячейки, слагающие их решетку, - тетраэдры и октаэдры захваты­ вают освобождающиеся кальций, калий, магний, железо. При выветри­ вании темноцветных минералов (пироксены, амфиболы, оливины) образуются хлоритовые глины, богатые соответственно магнием и железом. Разложение полевых шпатов приводит к образованию широ­ кого спектра глин, особенно гидрослюдистых и каолинитовых. В разных условиях образуются глины разного состава. Каолинит, напри­ мер, формируется в кислой среде за счет пород гранитно-гнейсового ряда. В этом процессе участвуют углекислота и вода.

K2 Al2 Si6 O1 6 + CO2 + 2H2 O -> K2 CO3 + Al2 O3 • 2SiO2 • 2H2 O + 4SiO2

Образовавшиеся продукты частично в виде коллоидов выносятся, а оставшиеся на месте образуют остаточные глины. При размыве, переносе и отложении вещества формируются осадочные глины. В условиях слабощелочной среды в семиаридном климате возникают монтмориллониты, на основных породах - их разности с повышенным содержанием железа. В условиях морской среды монтмориллонит образуется за счет пирокластики (обломков вулканического стекла), а глауконит - при подводном выветривании (гальмиролизе) биотита.

Максимальной степени химическое выветривание достигает в жарком влажном климате. В условиях стабильного тектонического режима за миллионы лет выветривание доходит до конца. Здесь завершаются гидролиз и процессы химического разложения силика­ тов. В частности, каолинит разлагается с образованием свободных оксидов алюминия и кремния:

Свободные оксиды, гидроксиды железа, других металлов образу­ ют красно-бурые охры. Среди неразложенных продуктов выветривания преобладает кварц. Освобождающаяся кремнекислота выделяется в

18

Рис. 1. Латеритный профиль коры выветривания под тропическим лесом (I) и сокращенный

эрозией (II) в Судане.

1 — гумусовый горизонт; почва: 2 — коричневая с гравием, з — красная с конкрециями; 4 — кираса; глина: 5 - пятнистая, б - белая; 7 - глыбовый элювий; 8 - материнская порода

виде опала и халцедона. Верхние части горизонтов охр, скрепленные оксидами железа и выделениями кремнезема, образуют панцири (кирасы). Латеритная кора выветривания является исходным вещест­ вом для образования бокситов (рис. 1).

В итоге можно сказать, что первоначально кора выветривания сложена главным образом продуктами физического выветривания, из которых легче всего выносится хлор и сульфаты. На следующей стадии кора теряет значительную часть щелочных и щелочно-земельных элементов - Ca, Na, К, Mg и относительно обогащается кремнеземом. Для этой стадии характерно образование каолинита. На следующей, крайней стадии в коре относительно повышается содержание гидроксидов железа и алюминия (латеритный, или аллитный, тип выветрива­ ния). Химическое выветривание приведет в итоге к накоплению их оксидов. Все растворившиеся вещества будут перенесены и в дальней­ шем выпадут довольно далеко от места разрушения в результате химических и биохимических процессов.

Характер химического выветривания не оставался постоянным по мере развития Земли. Изменились со временем главные агенты вывет­ ривания. Ученые предполагают, что в первоначальной атмосфере Земли было больше углекислоты, сернистых газов, затем постепенно увеличивалось количество кислорода. С развитием жизни и выходом ее на сушу усилилось биохимическое выветривание.

19