Выветривание сложных силикатов

Породы верхнего слоя земной коры в основном состоит из каркасных силикатов, полевых шпатов серии плагиоклазов, калиевых полевых шпатов и кварца (см. табл.), причем плагиоклазы преобладают. Таким образом, упрощенная реакция выветривания для плагиоклаза должна лучше описывать усредненный процесс химического выветривания. Это можно проиллюстрировать на примере богатого кальцием плагиоклаза, анортита:

СаА1₂Si₂O₈ + 2Н₂СO₃ + Н₂O––> Са²⁺ + 2НСO₃^– + A1₂Si₂O₅(ОН)₄

Твердым продуктом реакции является каолинит (A1₂Si₂O₅(ОН)₄) — важный представитель серпентин-каолиновой группы глинистых минералов.

Таблица. Процентное содержание минералов в верхней континентальной коре.

	Среднее по верхней континентальной коре	Среднее по подверженной воздействиям поверхности континентальной коры
Плагиоклазовые полевые шпаты	39,9	34,9
Калиевые полевые шпаты	12,9	11,3
Кварц	23,2	20,3
Вулканическое стекло	—	12,5
Амфиболы	2,1	1,8
Слюда биотит	8,7	7,6
Слюда мусковит	5,0	4,4
Хлорит	2,2	1,9
Пироксены	1,4	2,2
Оливин	0,2	0,2
Оксиды	1,6	1,4
Остальное	3,0	2,6

Поверхности природных кристаллов имеют участки с избытком электрического заряда, что вызвано дефектами кристаллической решетки (ряды атомов, немного смещенные со своих позиций) или ее повреждениями (разрыв связей). Области с избыточным зарядом преимущественно атакуются почвенными кислотами, в результате чего возникают выемки на поверхности минерала. Водородные ионы, образующиеся при диссоциации Н₂СО₃, гидратируют поверхность силиката.

Ионные связи между Са²⁺ и тетраэдрами SiO₄ легко разрываются, высвобождая Са²⁺ в раствор. В результате образуются гидратированный силикат с дефицитом металла и раствор бикарбоната кальция (Са²⁺ + 2НСО₃^–). В ходе дальнейшей реакции в пределах тетраэдрической сетки могут разорваться связи, близкие к ковалентным. Тетраэдрическая сетка является особенно непрочной там, где алюминий заместил кремний, поскольку связь кислород—алюминий имеет скорее ионный характер. Продукт реакции, высвобождаемый в раствор — это H₂SiO₄.

Кислотный гидролиз является доминирующим процессом выветривания в верхнем слое земной коры.

Скорость выветривания

Как видно, окисление органического вещества почв является причиной кислотности природных вод, что способствует химическому выветриванию. Отсюда следует, что на скорость выветривания влияет биосфера. К другим важным факторам относятся — рельеф суши, климат — особенно осадки и температура, состав воды, тип материнской породы и кинетика реакции отдельных минералов. Для ясности эти факторы обсуждаются отдельно, хотя в природе они действуют совместно.

Температура и скорость течения воды. Повышение температуры ускоряет протекание химических реакций, давая дополнительную энергию. Для большинства реакций повышение температуры на 10 °С вызывает удвоение их скорости. Отсюда следует , что скорость выветривания в тропиках, где средняя годовая температура составляет около 20 °С, будет примерно вдвое выше, чем в районах, где средняя годовая температура около 12 °С. Влияние температуры взаимосвязано с доступностью влаги, Сухой воздух жарких аридных зон является неэффективным агентом выветривания. Редкая растительность и, следовательно, недостаток органического вещества приводят к пониженной концентрации органических кислот.

Тесному контакту частицами породы и кислотами, кроме того, препятствует отсутствие воды. Кратковременные дожди способствуют проникновению солей с поверхности в почву, но общее преобладание испарения над осадками приводит к тому, что растворимые соли имеют тенденцию выпадать на поверхности почвы, образуя корочки гипса, карбоната и других эвапоритовых минералов. В гумидном тропическом климате выветривание происходит быстро — частично из-за того, что высокие температуры ускоряют реакции, но в основном потому, что постоянные ливни делают возможным быстрое вымывание и снос даже наиболее нерастворимых соединений, например оксидов алюминия и железа.

Кинетика реакций минералов и насыщение растворов. Мы предполагали, что скорость выветривания минералов пропорциональна скорости потока воды, но это правильно только в том случае, если воды близки к насыщению относительно выветриваемого минерала. Если портокводы непрерывен и достаточно интенсивен, достигается предел, после которого дальнейшее увеличение потока больше не является контролирующим скорость фактором.

У нерастворимых минералов (растворимость < 10^-4 моль • л^-1 ) включая все силикаты и карбонаты, отделение ионов с поверхности идет очень медленно, настолько, что ионы никогда не накапливаются в растворе близко к поверхности кристалла. Скорость выветривания этих минералов, таким образом, зависит в основном от скорости отделения ионов с поверхности кристаллов, а не от эффективности вымывания (скорости потока воды). Только у очень растворимых минералов (растворимость >2 • 10^-3 моль • л^-1), например эвапоритовых, ионы могут быстро отделяться с поверхности кристалла, образуя вблизи нее микросреду, которая насыщена относительно растворяющегося минерала. Скорость растворения в таком случае контролируется эффективностью рассеивания ионов и воздействие вымыванием водой становится определяющим.

Тип материнского материала (подстилающая порода). Скорости выветривания пород сильно зависят от растворимости и устойчивости составляющих их минералов. Относительная устойчивость силикатов контролируется степенью полимеризации тетраэдрических единиц. Высокотемпературные мономерные силикаты (например, оливины) с ионными связями металл—кислород легко выветриваются, тогда как каркасные силикаты, например кварц, устойчивы.

Существует экспериментальное подтверждение того, что скорости растворения определенных мономерных силикатов (например, Са₂SiO₄, Мg₂SiO₄ и т. д.) пропорциональны скорости протекания реакций между двухвалентными катионами и молекулами воды в процессе гидратации. Скорость протекания реакций между молекулами воды и щелочными ионами связана с размером ионов [Са(Н₂О)₆²⁺ > Мg(Н₂О)₆²⁺ > Ве(Н₂О)_б²⁺]. Это отражается в экспериментальных скоростях реакций, где Са₂ SiO₄ > Мg₂SiO₄ > Ве₂SiO₄, и контролируется относительной силой связи катион—кислород.

Почвы и биология

Как было сказано, присутствие почвенного органического вещества и его разложение микроорганизмами сильно увеличивают концентрацию СО₂ в почвенной влаге, придавая ей кислотность. Наличие почвы как таковой также влияет на скорости выветривания. Почвы могут формироваться только там, где растения помогают стабилизировать субстрат, предотвращая эрозию поверхностными водами или ветром. Почвы состоят из органического вещества и небольших минеральных частиц, которые предоставляют большие участки поверхности кислым почвенным водам. Почвенное органическое вещество (гумус) улучшает водоудерживание, в результате чего поверхности минералов и почвенная влага находятся в тесном контакте. Вопрос о том, насколько эффективно присутствие биогенных почв влияет на скорость выветривания, служит объектом дискуссии; по некоторым оценкам предполагается увеличение скоростей в 100—1000 раз по сравнению со скоростями абиогенного выветривания. Этот вопрос важен, поскольку потребление СО₂ в процессе реакций выветривания в почвах понижает атмосферное парциальное давление СО₂.

Некоторые исследователи считают, что около 400 миллионов лет назад, до развития сосудистых наземных растений, скорости выветривания могли быть намного ниже, что вызывало повышение парциального давления СО₂ в атмосфере и усиливало парниковый эффект. Однако другие ученые полагают, что маломощные почвы, стабилизированные примитивными лишайниками и водорослями, покрывали поверхность суши за миллиарды лет до развития сосудистых растений. Такие примитивные почвы могли очень эффективно увеличивать скорости выветривания, действуя путем «Геи» — потребляя атмосферный СО₂ и понижая глобальную температуру. Этот эффект охлаждения мог способствовать улучшению пригодности ранней Земли для заселения другими организмами.