ЛЕКЦИЯ 5. Гипергенез и кора выветривания
Горные породы, сформировавшиеся в недрах Земли, могут достигать ее поверхности. В этом случае они попадают в условия, которые отличаются от тех, в которых они сформировались. В новых условиях массивные горные породы теряют первоначальную физическую и химическую устойчивость - начинается процесс их разрушения. Весь комплекс физико-химических явлений, происходящих на поверхности Земли, А.Е.Ферсман назвал гипергенезом. В геологической литературе часто встречается старое название этого процесса - выветривание. Но выветривание это лишь часть комплекса явлений, связанная с деятельностью ветра, и его употребление правомерно только в этом узком понимании. Понятие же гипергенеза охватывает все многообразие процессов, которое можно разделить на физическое и химическое разрушение. Оба эти типа проявляются совместно, хотя в разных условиях один из них может преобладать над другим. Рассмотрим каждый из этих процессов.
Физическое разрушение или дезинтеграция - происходит в силу ряда причин.
1. Дилатация - означает расширение, растяжение - под этим термином понимают разрушение горных пород, связанное с их расширением. Это происходит, когда горные породы сформировавшиеся в условиях высоких давлений, попадают на поверхность Земли. Здесь величина давления резко падает до нормального атмосферного. Сжатые и уплотненные под высоким давлением горные породы, не испытывая внешнего давления начинают расширяться и при этом образуются трещины.
2. Температурное разрушение - вызвано суточными и сезонными колебаниями температуры. Предполагают:
- что разные породообразующие минералы обладают разными скоростями нагревания и охлаждения. Эта разница приводит к ослаблению сил сцепления между зернами минералов и растрескиванию горных пород;
- в горных породах в различном количестве всегда есть микротрешины и поры. В условиях низких температур, попавшая в них вода замерзая, увеличивается в объеме и тем самым оказывает давление, за счет которого микротрещины увеличиваются и это влечет растрескивание пород. В условиях сухого и жаркого климата , вода по трещинам устремляется к поверхности и испаряется. При этом могут кристаллизоваться соли, содержащиеся в воде, которые также оказывают давление на трещины и приводят к разрушению.
3. Механическое разрушение пород растениями - корневая система проникает по трещинам, расширяя и увеличивая их, что и приводит к разрушению пород.
4. Химическое разрушение - в поверхностных условиях происходят химические реакции, которые приводят к образованию новых минералов, устойчивых в этих условиях. Химическими реагентами являются поверхностные и подземные воды, часто минерализованные и содержащие О2 , СО2 и т.п. Основные типы химического разрушения - растворение, окисление, гидратация и гидролиз. Рассмотрим их.
Растворение происходит под действием воды минералов и горных пород. Наиболее растворимы - карбонаты, галоиды, сульфаты. Образующиеся при этом пустоты в массиве горных пород приводят к обвалам и разрушению. Установлено, что химические элементы, входящие в состав горных пород, обладают разной способностью растворяться и выноситься, т.е. подвижностью. По этому признаку они группируются на:
| Элементы | |
| энергично выносятся | Cl , Br , J,S |
| легко выносятся | Ca , Na , K |
| подвижные инертные | SiO2 , Mn, P, Cu, Ni, Co Al , Fe, Ti |
Окисление происходит под действием кислорода и воды на минералы, в формулу которых входят Fe, Cu, Mn, Al . Наиболее интенсивно окисление наблюдается в сульфидах. Так для минерала пирита реакция проходит:
FeS2 +mO2 +nH2O → Fe2O3 . nH2O (лимонит), большое количество которого над сульфидными месторождениями называют “железная шляпа”.
CuFeS2 +H2O+O2 +CO2 → Cu2O+Cu2 (CO3)(OH)2 +Fe2O3 nH2O
| халькопирит | куприт | малахит | лимонит |
Гидратация - процесс вхождения в кристаллическую решетку минералов молекулы воды. Типичный пример - превращение ангидрита в гипс: CaSO4 +2H2 O → CaSO4 H2O
| ангидрит | гипс |
Гидролиз - процесс разрушения кристаллической решетки под действием воды и ионов в силикатах и алюмосиликатах. Например, у полевых шпатов:
каркасная структура превращается в слоевую ,
из кристаллической решетки выносятся растворимые соединения К, Na , Ca ;
Процесс гидролиза проходит в несколько стадий, количество которых как и конечный продукт зависят от климатических условий. Так при умеренном климате ортоклаз превращается в каолинит, и на этом процесс завершается. Но если эта реакция происходит при жарком и влажном климате, то процесс гидролиза продолжается и каолинит переходит в боксит (окислы и гидроокислы Al ).
В последние десятилетия геологи большое значение стали придавать процессам гипергенеза, происходящих под водой, с общим названием гальмиролиз . В результате образуются Fe-Mn-Si руды, глауконит и глины.
Рассмотренные различные процессы гипергенеза, как правило, протекают совместно. Но интенсивность каждого из них не одинакова и, зависит прежде всего от климата, т.е. от количества осадков и температуры. Н.М.Страхов (плакат) показал, как в разных климатических зонах изменяется соотношение между химическим и физическим процессами разрушения.
Продукты гипергенеза - минералы и горные породы. Они могут оставаться на месте или перемещаться в условиях расчлененного рельефа.
Элювий - это продукты физического разрушения, оставшиеся на месте после своего образования. Они представляют собой обломочный материал разного размера - от глыб ( курумы ) до элювиальных песков и глин.
Коллювий - те же продукты физического разрушения, но смещенные к подножию склона горы (осыпи, обвалы). Причем их перемещения быстрые.
Формирование коры выветривания
Кора выветривания - это специфический продукт физического и химического процессов гипергенеза. Её формирование проходит в несколько стадий:
1. Обломочная - преобладает физическое разрушение горных пород (дезинтеграция).
2. Сиаллитная - преобладает гидролиз с образованием глинистых минералов (каолинит, нонтронит).
3. Аллитная - преобладает окисление глинистых минералов до оксидов и гидрооксидов Fe, Al, Mn, Si. Образуются минералы - лимонит, гематит, боксит, пиролюзит, опал, халцедон. Продукты этой стадии окрашены в красно-бурый цвет и похожи на обожженый кирпич, поэтому их еще называют латеритами (later-высушенный кирпич).
Развитие всех стадий зависит от климата, рельефа, состава материнских пород и т.д. В свою очередь минеральный состав коры выветривания зависит от того, сколько стадий гипергенеза протекало в массиве горных пород и каким был первичный химический состав этих исходных (или материнских) пород. Кора выветривания ультраосновных пород отличается минеральным составом от коры, образованной по породам кислого состава.
Коры выветривания по времени своего образования делятся на современные и древние .
К современным относится почва - представляет собой продукт биохимического процесса, в котором ведущую роль играют продукты биохимических реакций остатков растительности.
Древние коры выветривания (см. пример) формировались на разных геологических этапах развития земной коры и их возраст достигает млн. и млрд. лет.
По форме и условиям залегания коры выветривания делятся на площадные и линейные.