Особенности химического выветривания горных пород
Выветривание горных пород - Выветривание горных пород и минералов - это процесс разрушения и химического изменения горных пород под влиянием температуры, химического и механического воздействия на них атмосферы, воды и организмов.
Различают три типа выветривания: физическое, химическое, биологическое.
Химическое выветривание - это процесс химического изменения горных пород и минералов и образования новых, более простых соединений в результате реакций растворения, гидролиза, гидратации и окисления.
Химическое выветривание обусловлено химическим взаимодействием горных пород с окружающей средой (вода, воздух). Поэтому чем больше поверхность соприкосновения этих двух сред, т. е. чем пористее и трещиноватее порода или чем больше она измельчена, тем интенсивнее она химически выветривается. Интенсивности химического выветривания способствует равнинный, слабо расчлененный рельеф, обусловливающий длительное сохранение продуктов выветривания и длительное воздействие на них агентов химического выветривания. Однако определяющую роль играют климатические условия. Наиболее благоприятен для химического выветривания жаркий и влажный тропический климат с высокой среднегодовой температурой, обильными осадками и чередованием дождливых и засушливых сезонов. В этих условиях химическое выветривание достигает конечных стадий; в умеренном климате оно замедляется, а в холодном (при многолетней мерзлоте) практически не происходит: там даже органическая ткань разлагается очень медленно (трупы животных в мерзлом грунте сохраняются почти без изменений в течение тысячелетий).
|
|
|
Главным фактором химического выветривания является поверхностная и грунтовая вода с растворенными в ней углекислотой и кислородом воздуха (в 1 л дождевой воды содержится до 30 см' газа, третью часть которого составляет кислород, десятую — углекислый газ и более половины — азот). Кроме того, дождевая и талая вода, просачиваясь через почву, насыщается органическими кислотами и минеральными соединениями, придающими ей окислительные или щелочные свойства. При взаимодействии с породами и продуктами их разрушения вода теряет одни составные части и обогащается другими, т. е. изменяет химический состав не только горных пород, но и свой и постепенно теряет химическую активность. Поэтому наиболее интенсивно химическое выветривание проявляется на поверхности. С глубиной, с потерей кислорода и углекислоты, а также с насыщением воды растворенными веществами, интенсивность химического выветривания снижается. Глубина действия химического выветривания определяется уровнем грунтовых вод, ниже которого вода почти лишена свободного кислорода. Обычно она не превышает 20—30 м. Однако в зонах тектонических нарушений, характеризующихся интенсивной трещиноватостью пород, вода, не теряя активности, быстро просачивается вниз и глубина химического выветривания значительно увеличивается (иногда до нескольких сотен метров).
|
|
|
Одновременно с физическим выветриванием происходят процессы химического выветривания – химического разложения горных пород и образование новых минералов.
При механическом разрушении горных пород в последних образуются трещины, по которым проникает вода и газы. Проникновение воды обуславливает миграцию с ней различных химических соединений. Минералы изменяются в результате гидролиза, гидратации, карбонитизации, растворения и окисления.
Гидролиз. Гидролиз разрушает атомную структуру минералов, особенно силикатов, благодаря действию воды и растворенных в ней ионов. Молекула воды имеет полярное строение: один ее конец несет слабый положительный заряд за счет двух атомов водорода, а другой – отрицательный за счет атома кислорода. Каждый конец молекулы может присоединяться к противоположно заряженному иону в решетке минерала и «вырвать» последний из структуры. Кроме того, вода слабо диссоциирует на ионы водорода (Н+) и гидроксильной группы (ОН-), которые при диссоциации приобретают свободу и могут вступать в реакцию с ионами кристаллической структуры. Природные воды обычно содержат растворенные ионы некоторых веществ, особенно НСО3-, SO42-, Cl-, Mg2+, Na+, K+. Эти ионы также могут замещать заряженные атомы в структуре, нарушая т.о. первичную решетку минерала. Ca2+,Mg2+,Na+ и K+ имеют тенденцию расворяться во вступающих с ними в контакт растворах и образовывать биокарбонаты. Соединения Al и Fe обычно гидролизуются с образованием нерастворимых гидроокислов. Кварц выносится из силикатов в виде коллоидной суспензии в воде или в виде растворимой кремниевой кислоты (H4SiO4). Многие минералы, особенно уязвимы для гидролиза из-за слабых атомных связей, прежде всего кислородных связей в силикатах. Т.к. силикаты составляют около половины объема внешней части континентальной зеленой коры, их выветривание под действием гидролиза особенно важно. Для гидролиза силикатов характерны следующие реакции
|
|
|
2 KАlSi3O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + H4SiO4 +2KHCO3
2 NaАlSi3O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + H4SiO4 +2NaHCO3
СaАl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + Са(HCO3)2 + H4SiO4
|
|
|
При этих реакциях одновременно происходит несколько превращений: образуется, в результате гидролиза, каолинит, в результате карбонитизации – биокарбонаты K, Na и Ca, которые все раствроримы в воде, а кварц выносится из силикатов, становясь растворимым в виде слабой кремнекислоты или в каллоидной форме в растворах биокарбонатов Са, Na и К.
Гидратация – под воздействием воды происходит закрепление молекул воды в кристаллической структуре минерала. При этом образуются новые минералы, например, переход ангидрита в гипс, или переход гетита в гидрогетит. Путем гидратации образуются хлорит, тальк, серпентин, цеолиты и др.
Карбонатизация. Минералы, содержащие ионы Ca, Mg, Na и K вступают в реакцию с природными водами, насыщенными углекислотой. При этом образуется карбонаты и бикарбонаты этих минералов. Такой процесс называется карбонатизацией. Все поверхностные воды содержат углекислый газ, поступающий из атмосферы или из разлагающегося в почве органического вещества. Растворенный углекислый газ реагирует с водой, при этом образуется углекислота:
Н2О + СО2 = Н2 СО3
Углекислота диссоциирует на ионы водорода (Н+) и биокарбоната (НСО3-) и ионы карбоната (СО32-). Поэтому насыщенная углекислой вода растворяет многие минералы легче, чем чистая вода, т.е. является активным агентом выветривания.
Растворение. Многие минералы растворяются под действием воды, стекающей по поверхности горных пород и просачивающейся по трещинам и порам на глубину. Ускорению процессов растворения способствует высокая концентрация водородных ионов, кислорода, углекислоты и органических кислот.
Из минералов наилучшей растворимостью обладают хлориды – галит, сильвин и др. На втором месте – сульфаты – ангидрит, гипс. На третьем месте – карбонаты – известняки и доломиты. За счет растворения указанных пород могут образовываться карстовые формы как на поверхности, так и на глубине.
Окисление – это присоединение к минералам кислорода, особенно к тем, что содержат в своем составе железо. Кислород воздуха и воды разрушает сульфиды и железистые силикаты – такие как оливин, пироксены и амфиболы, и превращают двухвалентное железо в трехвалентное:
2(MgFe)[SiO4] + 2H2O + 1/2O2 + 4H2CO3→Fe2O3 + 2Mg(HCO3)2 + H4SiO4
Окисление пирита и др. сульфидов ведет к образованию серной кислоты:
FeS2 + H2O + 7/2O2→FeSO4 +H2SO4
FeS2 + mO2 + nH2O→FeSO4→ Fe2 (SO4)3→Fe2O3∙nH2O
На некоторых месторождениях сульфидов и др. железных руд наблюдаются «бурожелезняковые» шляпы, состоящие из окисленных и гидратированных продуктов выветривания.
Органика. Растения и животные помогают не только физическому, но и химическому выветриванию. Лишайники, которые одними из первых начинают расти на недавно обнажившейся породе, поглощают из нее некоторые химические соединения и «разъедают» породу. Корни других растений удаляют новые порции неорганического материала.
При отмирании и последующим разложении органического вещества выделяются некоторые органические кислоты (одна из них – гуминовая) и углекислый газ. И кислоты, и углекислый газ увеличивают растворяющую способность воды. Например, в присутствии органических кислот заметно повышается растворимость кварца, железа и алюминия.
Химическая активность многочисленных и вездесущих бактерий приводит к образованию аммиака, азотной кислоты, углекислого газа и др. химически активных веществ – еще один фактор, влияющий на изменение пород. В то же время растения задерживают влагу, замедляют эрозионные процессы, т.е. продлевают химическое выветривание.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1558; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!