2. Хімічне вивітрювання

Хімічне вивітрювання, тобто результат взаємодії гірських порід зовнішньої частини літосфери з хімічно активними елементами атмосфери, гідросфери та біосфери, відбувається переважно в райо­

нах з достатньою зволоженістю, оскільки саме вода забезпечує про-Я никнення різних хімічно активних елементів до свіжих неперетворе- 9 них гірських порід.

Найбільша хімічна активність властива, як відомо, кисневі, вугле-1 кислому газу, воді, органічним кислотам. Саме вплив цих речовин на і гірські породи переважно зумовлює хімічне вивітрювання, суть якого 1 полягає у корінній зміні мінералів та гірських порід й утворенні но- 1 вих мінералів і порід, відмінних від початкових.

Загалом мінерали, які викристалізувалися за дуже високих темпе- 1 ратур у процесі охолодження магми, є менш стійкими до хімічного 1 вивітрювання, ніж ті, що утворилися пізніше. Оцінюючи процеси ви- і вітрювання, слід пам’ятати, що хоча осадові породи становлять мен- | ше ніж 5 % загального об’єму земної кори, вони вкривають понад 1 75 % поверхні суходолу. Крім того, 85 % матеріалу, який зазнає ви- І вітрювання, представлено чотирма основними групами мінералів — | польовими шпатами, кварцом, глинистими мінералами, слюдами, каль- | цитом і доломітом.

Оскільки основним реагентом процесу вивітрювання є атмосфер­на вода, що просочується у гірські породи, то здатність порід до во- 1 допоглинання має велике значення. Зокрема, пористість зумовлює ] внутрішню площу поверхні порід, тобто місце перебігу хімічних про­цесів.

Атмосферна вода діє як транспортувальний агент для розчине- ! ного атмосферного кисню та вуглекислого газу. Винесені з морів солі, розчинна форма нітратної кислоти, що утворюються під час роз- « рядів блискавок, оксид сульфуру (II), який утворюється під час зго­ряння сірчистого пального, та розчинна форма сульфатної кисло- : ти — ці та багато інших постійних складових звичайної дощової води ] по-різному впливають на гірські породи. Як тільки вода просочиться І у гірську породу, в її складі відбуваються певні зміни завдяки реак- ] ціям з мінеральними та органічними фракціями ґрунтів і гірських ' порід.

Вода, що фільтрується крізь гірську породу, спричинює три основ­них хімічних процеси — розчинення, гідратацію, гідроліз. Завдяки розчиненому вуглекислому газу та кисню дощові води зумовлюють ще два процеси: карбонізацію та окиснення. Крім того, у шарі ґрунту відбуваються різні біологічні процеси. Слід зазначити, що лише у деяких випадках відбувається один із зазначених вище процесів без супроводу інших, оскільки саме сумарна їх дія значно впливає на результати кожного із них.

розчинення (більшу частину інформації щодо процесів вивітрю­вання подано за Р. Дж. Райсом, 1980). Гірські породи, що виходять на поверхню, зазвичай не розчиняються водою, винятком є лише галіт, або кам’яна сіль. Найважливіша роль процесу розчинення полягає у його функції транспортування продуктів інших процесів вивітрю­вання, оскільки, якщо матеріал не виноситься, то він може загальму­вати або змінити весь процес розкладання породи.

Гідратація вважається передумовою всіх більш глибоких хімічних змін, які відбуваються у породах, оскільки численні мінерали містять воду у своїй молекулярній структурі. Це властиво не тільки мінера­лам, які зазвичай містяться у вивержених породах, а й багатьом скла­довим осадових порід. Здатність до набрякання під час взаємодії з водою є найважливішою умовою гідратації. Вважають, що саме вона є основною причиною розкришування великозернистих вивержених порід, які руйнуються завдяки прогресуючому розширенню гідрат­них мінералів, що містяться у них.

Гідроліз. Якщо помістити певну кількість ортоклазового польового шпату у воду і збовтувати її упродовж 200 год (це зробив ще у XIX ст. французький дослідник Добре), то виявиться, що вода стане молочно- білого кольору, а поверхня польового шпату зруйнується. Аналіз до­водить, що вода містить приблизно 3 %о К₂0 у розчині разом з тон­кою каламуттю глинистих мінералів. Хімічна частина цього процесу є досить складною, проте його можна записати так:

2КА15і₃0₈+ 2Н₂0 -> АІ₂5і₂0₅ (ОН)₄+ К₂0 + 45і0₂.

Ортоклаз Вода Каолініт

Реакція полягає у фактично повному зруйнуванні первинної силікатної ґратки та у переході в розчин з’єднувальних йонів калію. Перебудована силіцієво-алюмінієва ґратка може вмістити багато води, внаслідок чого утворюється водний глинистий мінерал — каолініт. Частина силіцію, що залишився, може перейти у розчин. Руйнування ортоклазу ілюструє хімічну реакцію з водою, яку зазнають інші силі­катні мінерали.

Зауважимо, що у природних умовах хімічні зміни прискорю­ються у разі забрудненості води, особливо за наявності розчиненого

со₂.

Карбонізація. Розчинений атмосферний С0₂ перетворюється на Дуже слабку карбонатну кислоту із середнім значенням рН « 6. Якщо вода проникає у ґрунт, більша частина С0₂ швидко розчиняється в' ґрунтовому повітрі, який містить більшу кількість цього газу, ніж вільна атмосфера. Тому розкладання ортоклазу значно прискорюється, якщо мінерал збовтують у воді, збагаченій С0₂. За цих умов вивітрювана ня ортоклазу можна записати у такому вигляді:

2КА15і₃0₈ + 2Н₂0 + С0₂ -> А1₂8і₂0₅ (ОН)₄ + К₂С0₃ + 45Ю₂.

Найвідомішим прикладом зміни під дією карбонатної води є вилуговування вапняку. Карбонат кальцію дуже слабко розчиняєть­ся у чистій воді, проте вступає в активну реакцію за наявності карбо­натної кислоти

СаС0₃ + Н₂С0₃ Са²⁺ + 2(НС0₃)".

Йони кальцію та гідрогенкарбонату надалі можуть перейти у роз­чин, акумулюючись у вигляді характерного поверхневого залишку. Цей залишок містить значну частку Феруму, який, окиснюючись до яскраво-червоного кольору, утворює ґрунт, відомий під назвою «тер- ра росса». Розчинений карбонат кальцію, що може переноситися во­дою, досить чутливий до зміни кількості розчиненого С0₂. Урівнова­жування С0₂ у повітрі карстових печер, що характеризується низь­ким тиском, на відміну від ґрунтового повітря, ймовірно, є основною причиною переосадження, що зумовлює формування сталактитів і сталагмітів.

Окиснення. Хімічне сполучення з оксигеном, розчиненим у воді, є найпоширенішим процесом, що призводить до вивітрювання. Це особ­ливо характерно для такого поширеного елемента, як Ферум, який міститься у складі численних мінералів — біотиту, авгіту, амфіболів. Звільняючись у хімічному процесі, Ферум швидко окиснюється і в подальшому існує у вигляді гематиту або його гідратного еквівален­ту — лимоніту. Саме тривалентний Ферум забарвлює ґрунти у чер­воний, коричневий або жовтий колір.

Біологічна дія. Біологічні агенти сприяють хімічному вивітрю­ванню завдяки посередництву біохімічних реакцій, зокрема безпосе­редньо прискорюючи чи сповільнюючи ці процеси.

Найважливішими реакціями вивітрювання, які мають переважно біохімічну природу, є відновлення і комплексоутворення. Численні анаеробні бактерії отримують потрібний їм кисень унаслідок віднов­лення Феруму до двовалентної форми, а у деяких випадках — до

металу- Двовалентні сполуки Феруму значно краще розчиняються у _воді, ніж первинні тривалентні. Це основний шлях мобілізації Феру­му та винесення його з породи.

Комплексоутворення полягає в сполученні катіонів металів з мо­лекулою вуглеводню і є найважливішим процесом для підтримання життя рослин. Об’єм навколо кореневих систем у гірських породах містить підвищену концентрацію гідроген-йонів, що можуть обміню­ватися з катіонами мінералів. Потім катіони металів адсорбуються рослинами внаслідок процесу комплексоутворення. Комплексна спо­лука, що утворюється, розчиняється в органічних розчинниках, але не у воді. Подібно діють лишайники, які добувають усі потрібні їм еле­менти живлення із корінних порід, на яких вони ростуть, доти, доки поверхневий шар не буде повністю зруйновано.

Під час розгляду певних ознак вивітрювання як особливого при­родного явища, що відбувається за складного поєднання числен­них процесів, вплив органічних речовин спеціально не розглядається і не відображається в хімічних реакціях виключно для зручності дослідження. Водночас безперечним є факт значного прискорен­ня багатьох процесів за наявності кислот або складових органічно­го походження. Серед них найважливіша роль належить гуміновим і фульвокислотам, що активно взаємодіють з мінеральною речо­виною. Фульвокислоти, маючи дуже кислу реакцію, енергійно роз­чиняють алюмосилікати до вільних оксидів алюмінію та феруму, з якими вони взаємодіють і утворюють металоорганічні сполуки, що вільно мігрують у деяких частинах профілю вивітрювання. Гу­мінові кислоти і так звані гумати лужноземельних металів під час взаємодії з гідроксидами алюмінію та феруму утворюють складні алюмо- та залізогумінові гелі, що не переносяться водою та не накопичуються в деяких частинах вивітрілої товщі (елювію). Різні співвідношення фульво- та гумінових кислот зумовлюють реакції в елювії та формування рухомих і нерухомих, розчинних і нерозчинних сполук, які мають кристалічну, аморфну або колої­дальну будову. Вони багато в чому визначають нестійкість елю­віальної кори вивітрювання під час її формування, посилюють її не- врівноважений стан, отже, активізують подальші процеси вивітрю­вання.