Кора выветривания - это специфический продукт физического и химического процессов гипергенеза.

Б.Б. Полыновым выделено 7 типов коры выветривания, которые он рассматривает как стадии единого процесса их формирования. Стадийность выветривания связана с различной подвижностью элементов. В процессе выветривания химические элементы, из которых состоит кора выветривания перераспределяются по поверхности суши. Химические элементы можно расположить в ряд по подвижности или миграционной способности (табл. 1).

Таблица 1 - Подвижность химических элементов коры выветривания (С.Н. Тайчинов, 1994)

Перераспределение химических элементов происходит во времени и подразделяется на стадии:

Стадия физической дезинтеграции горных пород, формирование обломочной коры выветривания.

Стадия выноса хлоридов и сульфатов. Формируется элювиальная обызвесткованная кора выветривания.

Стадия выноса кремнезема силикатов и образования глинистых минералов. Кора выветривания этой стадии, обогащенная вторичными минералами получила название элювиальной сиаллитной.

Стадия выноса кремнезема. Кора выветривания состоит почти исключительно из гидрооксидов алюминия и железа. Подобная кора выветривания носит название элювиальной аллитной.

В местах накопления продуктов выветривания образуется аккумулятивная кора выветривания. Обызвесткованный элювий сопрягается хлоридно-сульфатной аккумулятивной корой выветривания.

Сиаллитный элювий водоразделов сопрягается с раположенной на более низком уровне аккумулятивной карбонатной, а еще ниже с аккумулятивной хлоридно-сульфатной корой выветривания.

Аллитный элювий сопрягается с сиаллитными аккумуляциями.

В формировании аллювиальных отложений могут участвовать все виды аккумуляций водосборного бассейна.

Изложенная схема отражает лишь направленность геохимического баланса веществ при выветривании. Взаимоотношения между остаточной и аккумулятивной корой выветривания гораздо сложнее, чем показано на схеме, т.к. стадия аккумулятивной коры выветривания в процессе изменения рельефа может оказаться в процессе элювиальной.

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.

Рассмотрим далее характеристику стадий выветривания по Роде (2008).

На первых стадиях выветривание представляет из себя явление по преимуществу физическое и носит поэтому название физического выветривания. Последнее состоит в раздроблении породы на обломки различной величины, не сопровождающемся изменением химического состава -- внутреннего строения того вещества, из которого эти обломки состоят. Основным агентом физического выветривания следует считать температурные колебания, которые и вызывают раздробление породы вследствие, во-первых, неодинаковости коэффициентов термического расширения отдельных минеральных компонентов породы, во-вторых, неравномерного нагрева или охлаждения внешних и внутренних частей отдельностей породы и, в-третьих, вследствие расширения воды при замерзании в возникших уже в породе трещинках (А.А. Роде, 2008).

На той или иной стадии физического раздробления начинает идти выветривание химическое, которое в одних случаях может идти с очень большой скоростью, почти не отставая от начальных стадий физического выветривания. В этих случаях мы можем наблюдать породу, коренным образом изменившую свой химический состав и химическое строение и в то же время сохранившую почти полностью свое первоначальное физическое строение. В других случаях, наоборот, химическое выветривание идет весьма медленно, физическое выветривание его опережает, и порода может превратиться в щебень или дресву, состоящие из малоизмененных химически обломков первоначальной породы. Все эти явления и их сочетания осложняются еще переносом продуктов химического и физического выветривания, каковой осуществляется под влиянием трех факторов - силы тяжести, текучих вод (в свою очередь движущихся под влиянием силы тяжести) и силы ветра. Поэтому продукты физического выветривания могут

проходить главные стадии химического выветривания на довольно большом расстоянии от места своего, так сказать, рождения (А.А. Роде, 2008).

Для Европейской части РФ особое значение имеет еще транспорт рыхлых продуктов выветривания ледником и различного рода водами, возникшими при таянии ледника. Всякий перенос продуктов выветривания сопровождается, вероятно, их физическим измельчением вследствие трения и ударов обломков друг о друга. Однако каково количественное значение этих явлений -сказать трудно (А.А. Роде, 2008).

На основании вышесказанного мы в каждой рыхлой породе имеем право ожидать нахождения как продуктов только физического выветривания, так и продуктов химического выветривания. Другими словами говоря, как обломков первичных минералов (и даже первичных пород целиком), так и частиц вторичных минералов. Однако это положение является не вполне точным. Продукты выветривания, переносясь и переотлагаясь при участии различных упомянутых выше агентов - текучих вод, ветра и т. д., подвергаются очень часто сортировке по механическому составу, в виду чего мы часто встречаем в природе участки земной поверхности, сложенные однородными по механическому составу породами - щебнем, галькой, песком, вплоть до тончайших тяжелых глин. Этот факт важен для нас с той точки зрения, что он находит свое отражение в разном минералогическом составе разных рыхлых пород. В то время как породы грубого механического состава вплоть до песков состоят исключительно или почти исключительно из первичных минералов, породы тяжелые будут состоять главным образом, иногда исключительно, из минералов вторичных, являющихся продуктами химического выветривания (А.А. Роде, 2008).

Отметим еще, что и первичные, и вторичные минералы, входящие в состав той или иной породы, могут быть самого разного географического происхождения и возраста, так как и текущие воды, и ледник размывали и распахивали на своем пути самые разнообразные породы - первичные, осадочные, метаморфизованные или рыхлые, отложенные тем или иным путем в разные эпохи. Особенно важно здесь отметить возможность участия в образовании рыхлых пород - пород осадочных карбонатных, присутствие которых сообщает возникающей рыхлой породе ряд специфических свойств (А.А. Роде, 2008).

Первичные минералы, входящие в состав рыхлых горных пород, мы можем таким образом рассматривать как продукт физического выветривания.

Обратимся теперь к вопросу о том, как можно представить себе образование минералов вторичных.

Химическое выветривание имеет резко различный характер в зависимости от того, протекает ли оно в отсутствии или в присутствии органических веществ. На основании этого немецкие авторы, как, например, Lang, различают два типа выветривания:

1) выветривание растворением (Lцsungsverwitterung) и

2) выветривание с образованием золей (Solverwitterung) (А.А. Роде, 2008).

Последний вид «выветривания» в большинстве случаев относится к почвообразовательным процессам. Сейчас рассмотрим первый тип выветривания, для которого Lang предложил термин «выветривание растворением». Термин этот нельзя считать правильным, ибо под растворением мы обычно понимаем такой процесс, продукт которого, т. е. раствор, будучи лишен воды или вообще растворителя, дает нам снова исходное вещество. Между тем в химическом выветривании такой случай является лишь частным -- когда выветривание состоит действительно в растворении простых солей, каковы: карбонаты, сульфаты, хлориды одно- и двувалентных оснований. Во всех же остальных случаях, когда выветриванию подвергаются силикаты и алюмосиликаты, простое удаление растворителя - воды приводит к образованию не исходных соединений, а продуктов их химического превращения. Поэтому в этих случаях говорить о «растворении» очевидно нельзя, и более правильным является наименование этого процесса просто химическим выветриванием или обыкновенным выветриванием. С другой стороны, едва ли является правильным противоположение «Solverwitterung» при участии органических веществ - «Lцsungsverwitterung» без участия этих веществ, ибо и в последнем случае вероятно не исключена возможность образования золей, хотя бы кремнезема, которые могут образовать комплексные золи с полуторными окислами (А.А .Роде, 2008).

Основными агентами химического выветривания являются, как известно, вода и углекислота. Представления о его механизме наиболее полно были сформулированы Ramann и приняты другими исследователями как Behrend und Berg, Lang и др. Согласно этим воззрениям, водородные ионы даже чистой воды, как бы ни была мала их концентрация, способны вытеснять основания из силикатов. Образовавшаяся кремневая кислота, будучи очень неустойчивой, выпадает из раствора с образованием воды и

кремневого ангидрида, в то время как гидроксильный ион остается в растворе:

В присутствии угольной кислоты реакция идет несколько иначе:

но конечный эффект получается тот же, и в растворе накапливается карбонат сильного основания, имеющий щелочную реакцию (А.А. Роде, 2008).

Таким образом, самая начальная стадия этих схематических реакций протекает в кислой среде, и ее скорость зависит от концентрации водородных ионов, которая при прочих равных условиях выше при более высокой температуре. В результате же создается раствор со щелочной реакцией. Дальнейшую судьбу образовавшегося щелочного раствора Ramann не рассматривает. Между тем она не может не интересовать нас. На основании многочисленных работ ряда исследователей, из которых мы должны упомянуть, кроме van Bemmelen, Ramann и Lang, еще Clarke, Harrassowitz, Blanck, общую схему процессов выветривания можно представить себе следующим образом. Образовавшийся в поверхностных слоях горной породы щелочной раствор, проникая в слои более глубокие, будет там создавать щелочную реакцию уже с самого начала. Этот раствор будет содержать в себе, конечно, и тот свободный кремнезем, который образовался в верхних слоях в результате приведенных выше реакций - частью в виде ионов кремнекислоты, частью в виде недиссоциированных ее молекул, частью даже в виде коллоидного раствора, пептизированного щелочью. Однако щелочная реакция раствора от этого не изменится и в нем во всяком случае ионы ОН- будут преобладать над ионами Н+. Реагируя с встречающимися на его пути молекулами минералов горной породы, этот раствор окажется в состоянии, вследствие своей щелочной реакции, разлагать эти минералы, в том числе, вероятно, и кварц. Кремнезем и основания будут переходить в раствор, который будет постепенно насыщаться и в то же время делаться щелочным. На известных стадиях и при известных условиях возможно выпадение из раствора карбонатов щелочно земельных металлов (образование карбонатных корочек на обломках породы). Полуторные окислы, вообще говоря, будут иметь тенденцию накапливаться, так как и Fе₂O₃ и А1₂O₃, при слабощелочной реакции, находятся вблизи своей изоэлектрической точки и поэтому малоподвижны. Однако в случае пород основных, богатых щелочными металлами, щелочная реакция может достигнуть такой величины, что мобилизованным окажется и глинозем, и единственным накапливающимся окислом окажется Fe₂O₃. Это может иметь место особенно в более глубоких слоях, где углекислоты окажется уже недостаточно для связывания оснований, и в растворе будут образовываться гидроокиси щелочных металлов. В отдельных случаях, впрочем, не исключается возможность мобилизации и Fе₂O₃ в виде комплексных золей с кремнеземом, в которых последний будет играть роль защитного коллоида, как это, например, имело место в экспериментах Reifenberg.

Вся эта схема вполне, по-видимому, оправдывается в случаях выветривания массивных кристаллических пород, для которых характерно образование продуктов выветривания, обогащенных полуторными окислами (особенно железом) и обедненных кремнеземом и основаниями (сиаллитов, по терминологии Harrassowitz) (А.А. Роде, 2008).

Наибольшего своего развития этот процесс, как известно, достигает в тропиках и приводит к образованию латеритов, красноземов и подобных им образований (аллитов, по терминологии Harrassowitz). Интенсивность его в этих областях определяется высокой температурой, повышающей степень диссоциации воды и других электролитов, и обилием осадков, вследствие которого продукты реакции быстро удаляются из сферы последней, тем самым, с одной стороны, стимулируя ее дальнейшее развитие, а с другой - подавляя развитие различных вторичных процессов (А.А. Роде, 2008).

В местностях с умеренным климатом более пониженная температура приводит к меньшей скорости реакций. Меньшее количество осадков вызы вает более медленное перемещение продуктов выветривания и создает бла гоприятную обстановку для их взаимодействия, т. е. для образования из гидратов окисей вторичных комплексов. Вследствие этого продуктом выветривания являются уже не свободные полуторные окислы - аллиты, как в тропиках (при крайнем выражении латеритного процесса), а различные глиноподобные образования - сиаллиты, вследствие чего и само выветривание носит название «глинного» - Tonverwitterung (Behrend und

Berg) или обыкновенного - gewohnliche Verwitterung (Van Bemmelen) (А.А. Роде, 2008).

Таким образом, эта схема приводит нас к зависимости состава и характера образующегося элювия от климатических условий. Однако разные типы выветривания имеют все же некоторые общие признаки. Главным из них является потеря кремнезема и обогащение продуктов выветривания полу торными окислами. Эти явления достигают наибольшего развития при аллитном выветривании, но в то же самое время бывают до статочно ярко выражены и при выветривании сиаллитном.

Основное отличие этих двух типов выветривания друг от друга заключается в поведении некоторых оснований. В то время как кальций и натрий в обоих случаях, по-видимому, легко мобилизуются и нацело или почти нацело уходят из сферы реакции, магний и калий при сиаллитном выветривании тоже мобилизу ются, но затем очень быстро закрепляются вновь, входя в состав продуктов выветривания - различных вадозных минералов, каковы, например, монт мориллонит, серицит и другие. При аллитном выветривании если такое закрепление и имеет место, то лишь в очень незначительной степени (А.А. Роде, 2008).

С другой стороны нельзя игнорировать ту связь, которая, по-видимому, существует между характером продуктов выветривания и их возрастом, каковой приближенно может определяться возрастом данного участка суши, т. е. продолжительностью того периода времени, в течение которого данная территория являлась сушей и не подвергалась отложению каких-либо твердых осадков.

Следует отметить, что определение возраста того или иного участка суши в этом смысле не всегда является легкой задачей. Учитывая, однако, эту оговорку, мы можем все же констатировать, что аллитная кора выветривания чаще бывает приурочена к наиболее древним участкам суши. Считать, впрочем, это обязательным правилом нельзя, так как есть указания на то, что аллитная кора выветривания иногда встречается на лавах, четвертичный возраст которых может быть установлен достаточно точно.

Однако, поскольку случаи, подобные последнему, встречаются довольно редко, вполне законным все же представляется вопрос о том, не является ли аллитный тип выветривания лишь особой стадией общего процесса выветривания и именно той стадией, которая сменяет стадию сиаллитную, т. е. наиболее поздней (А.А. Роде, 2008).

Если последнее предположение является правильным, то из него логически должно вытекать следующее. Те вторичные минералы, которые возникают в качестве более или менее стойких продуктов при сиаллитном выветривании, на самом деле не являются вполне стойкими и способны к дальнейшим превращениям, при тех же внешних условиях; при этом только скорость этих дальнейших превращений должна быть значительно меньше, чем скорость выветривания первичных минералов. Другими словами говоря, возможно, что вторичные минералы, которые образуются при сиаллитном выветривании, не являются конечным продуктом процесса выветривания и способны сами в дальнейшем подвергаться таковому (А.А. Роде, 2008).

4.4 Географическое значение формирования коры выветривания

Процесс выветривания обусловлен преимущественно энергией солнечной радиации. Величина поступающей лучистой энергии Солнца на поверхность Земли зависит от угла падения солнечных лучей и возрастает от полюсов к низким широтам. Однако интенсивность выветривания не обязательно будет возрастать вслед за увеличением радиационного баланса. Степень использования поступающей энергии зависит от атмосферного увлажнения (рис. 3). Как бы долго не подвергались воздействию солнечных лучей полевые шпаты, они не превратятся в глинистые минералы при отсутствие жидкой воды, необходимой для химических и биохимических реакций. Поэтому в засушливых ландшафтах, где количество осадков меньше величины испаряемости, степень использования энергии Солнца очень мала. В условиях значительного атмосферного увлажнения полнота использования энергии солнечной радиации резко возрастает (А.И. Перельман, 2000).

Рисунок 3 - Строение коры выветривания в различных климатических зонах. (А.Г.Булах, 1999)

Следует подчеркнуть, что значение элементов климата определяется не только их непосредственным воздействием на выветривание, но и тем, что климат в значительной мере регулирует биологические и почвообразовательные процессы, часто играющие ведущую роль в гипергенном преобразовании горных пород.

Процессы размыва, сноса и переотложения рыхлых продуктов выветривания действуют повсеместно, хотя и с различной скоростью. Верхние горизонты коры выветривания и сформировавшихся на ней почв смываются, а в понижениях рельефа накапливаются различные континентальные отложения (делювий, аллювий и др.). В этих отложениях накапливается часть растворенных и вынесенных из коры выветривания химических соединений (С.Н. Тайчинов, 1994).

Вещества, которые вымываются из коры выветривания данного типа, накапливаются в рыхлых отложениях. Поэтому между элювиальными образованиями - корой выветривания и аккумулятивными образованиями (рыхлыми отложениями) существует геохимическое сопряжение (рис. 4). Например, из обызвесткованной коры выносятся только хлориды и сульфаты, именно эти соли накапливаются в наносах и почвах соседних депрессий рельефа и замкнутых водоемов.

Если из коры выветривания вымываются и хлориды, и карбонаты, и кремнезем, то в процессе миграции и испарения растворов они разделяются: наименее растворимый кремнезем осаждается в первую очередь, затем следует карбонат кальция, а хлориды натрия, магния и кальция достигают бессточных впадин или выносятся реками в моря и океаны (С.Н. Тайчинов, 1994).

Вынос больших количеств кремнезема и оснований из ферраллитных кор выветривания сопровождается образованием на аккумулятивных равнинах монтмориллонитовых глин; синтез монтмориллонита идет из растворов, обогащенных SiO₂, кальцием и магнием. Особенно типичны подобные аккумуляции для жарких переменно-влажных областей, тропических редколесий и саванн.

Рисунок 4 - Типы сочетаний (а-в) остаточных и аккумулятивных кор выветривания (Б.Б. Полынов 1934): 1 - обызвесткованный ортоэлювий;

2 - сиаллитный ортоэлювий; 3 - аллитный ортоэлювий;

4 - хлоридно-сульфатный нанос; 5 - карбонатный нанос;

6 - сиаллитный нанос; 7 -первичная коренная порода

Изучение геохимических сопряжений, остаточных кор выветривания и коррелятивных им рыхлых отложений имеет большое практическое значение, в частности при мелиоративном проектировании и прогнозе геохимического солевого баланса крупных территорий. Большое значение имеет изучение закономерностей распространения и состава остаточных кор выветривания и коррелятивных им рыхлых отложений для почвоведения, так как именно эти образования являются наиболее широко распространенными почвообразующими породами (С.Н. Тайчинов, 1994).

5. Коры выветривания Урала

Древние коры выветривания мезозойского и мезозойско-кайнозойского времени широко развиты на Урале. Классическим развитием этих кор является Южный и Средний Урал, где они характеризуются большой мощностью и хорошо изучены многими исследователями (И. И. Гинзбургом, В. П. Петровым, Н. П. Херасковым, В. Н. Разумовой и др.). Полный профиль выветривания на серпентинитах Урала отмечается определенной зональностью (рис. 5).

Рисунок 5 - Строение полных профилей выветривания (А. П. Никитина,1971). На серпентинитах Урала (а), кварц-хлорит-серицитовых сланцах и железистых кварцитах КМА (б) ; Серпентиниты: 1- неизмененные, 2- дезинтегрированные, 3- выщелоченные, 4- монтмориллонитизированные, 5- нонтронитизированные, 6- охры по серпентинитам; габбро и долериты: 7- дезинтегрированные, 8- выщелоченные, 9- монтмориллонитизированные и каолинитизированные, 10- латеритные бокситы и охры, 11- известняки; кварц-хлорит-серицитовые сланцы: 12- неизмененные, 13- полного выноса кварца, 14- каолинитизированные, 15- латеритные бокситы по сланцам; железистые кварциты: 16- неизмененные, 17- мартитизированные, 18- богатые железные руды по железистым кварцитам; 19- тектонические нарушения

В нем неизмененные серпентиниты сменяются выщелоченными, далее монтмориллонитизированными и нонтронитизированными и, наконец, охрами по серпентинитам. В пределах развития габбро и долеритов также намечается полный профиль коры выветривания - от дезинтегрированных пород через промежуточные минералы к латеритным бокситам и охрам. По данным В. П. Петрова (рис. 6), строение площадной древней коры выветривания на гранитах Урала отличается достаточно четко выраженной зональностью: дресвянистая зона '" гидрослюдистая'" каолинитовая, суммарной мощностью около 100 м. Здесь же выражена линейная кора выветривания, соответствующая контакту гранита со сланцами и характеризующаяся мощностью около 200 м и отсутствием дресвянистой зоны.

Рисунок 6 - Схема строения древней коры выветривания на гранитах Урала ( В.П. Петров, 1967). 1- граниты, 2- жилы пегматита, 3- сланцы, 4- тектонические разрывы, 5- зона дресвы, 6- гидрослюдистая зона, 7- каолинитовая зона

Своеобразный тип линейной коры выветривания описан В. В. Егоровым (1974) в пределах Ново-Бурановского рудного месторождения Кемпирсайского массива Урала. Здесь в контактной зоне основных пород - габбро и ультраосновных - серпентинитов выражен полный профиль коры выветривания с латеритным бокситом. В профиле выветривания габброидов выделяются четыре минерало - геохимические зоны (снизу вверх):

1) механической дезинтеграции;

2) выщелачивания (гидрохлорит-монтмориллонитовая);

3) каолинито-охристая;

4) гиббсит-каолинито-охристая с латеритным бокситом. Залежи бокситов имеют гнездообразную форму. В центральной части габброидного тела завершает кору выветривания каолинито - охристаязона.

Здесь же в профиле коры выветривания серпентинитов выделяются следующие зоны:

1) дезинтегрированных серпентинитов;

2) керолитовых;

3) никельсодержащих нонтронитов;

4) непосредственно на серпентинитах располагаются никель содержащие нонтрониты, переходящие в охры.

Глоссарий

Выветривание - совокупность сложных и разнообразных процессов количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы.

Физическое выветривание - механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их химического состава.

Химическое выветривание - процесс химического изменения и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и соеденений.

Биологическое выветривание - механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Элювиальные породы (элювий) - продукты выветривания коренных пород, оставшиеся на месте образования.

Дэлювиальные породы (делювий)- наносы, отложенные на склонах дождевыми и талыми водами.

Аллювиальные породы (аллювий) - осадки, отложения при разливе рек (пойменный аллювий).

Кора выветривания - рыхлый поверхностный слой горных пород, образовавшийся в результате выветривания. В состав коры выветривания входят также находящиеся в этом слое вода, воздух и живые организмы. Обычно кора выветривания имеет глинистый состав.

Мощность коры выветривания зависит от климатических условий и от длительности процесса выветривания, есть места, где кора выветривания отсутствует. В верхней части кора выветривания обычно переходит в почву. С древней корой выветривания связаны месторождения руд никеля, железа, хрома, алюминия, фосфора, редких элементов, золота и др.

Размещено на Allbest.ru