Химическое выветривание горных пород — виды, стадии и примеры
Содержание:
Выветривание здания
Бетон поврежден кислотным дождем .
Здания из любого камня, кирпича или бетона подвержены тем же атмосферным воздействиям, что и любая обнаженная скальная поверхность. Также статуи , памятники и декоративная каменная кладка могут быть сильно повреждены естественными процессами выветривания. Это ускоряется в районах, сильно пострадавших от кислотных дождей .
Ускоренное атмосферное воздействие на здание может представлять угрозу для окружающей среды и безопасности людей. Стратегии проектирования могут смягчить воздействие воздействия окружающей среды, например, использование завесы от дождя с регулируемым давлением, гарантируя, что система HVAC может эффективно контролировать накопление влаги, и выбор бетонных смесей с пониженным содержанием воды для минимизации воздействия циклов замораживания-оттаивания.
Как происходит выветривание, и какие остаточные продукты оно формирует?
В классическом понимании продукты, задержавшиеся в породе, принято именовать элювием. По большей части так называют скопления рыхлых обломочных пород с разным составом, будь то глина или глыбы. Также это обломочные накопления солидных продуктов инсоляции (горизонты, корки и калькреты) и метасоматиты.
Выветриваемые продукты формируются в ходе естественных исторических изменений земной коры. Со временем меняется рельеф, климат местности, структура почвы и тектонический режим. Здесь формируются переотложенные скопления, различающиеся между собой вариантом переноса и садиментационными окружающими факторами.
Так, например, одна из разновидностей выветривания горных пород – эрозия. По сути, это выветривание минеральных элементов движущимися ледниками, потоками воды, ветра и гравитацией. Также подобные процессы иногда называют денудацией, то есть, не выветривание, сопровождающееся сносом.
При выветривании имеют место два ключевых условия. Разрушение материнской породы (процессы физического характера), а также химические процессы, включая реакции сообщения/обмена, окисления и гидратации. Как правило, эти два аспекта сочетаются друг с другом в различных соотношениях. При этом первый, как правило, становится подготовкой к химическому этапу.
Примеры новообразований посредством химии
В результате химического выветривания из твёрдых пород магматического происхождения (гранитов, базальтов, гнейсов) получаются податливые глины. К числу продуктов окисления, гидролиза, миграции разрушенных частиц вещества относятся также карбонаты, фосфориты, цеолиты, гидроксиды железа, марганца. Некоторые примеры превращений твёрдых камней в рыхлые отложения сведены в таблицу преобразований при химическом выветривании.
| Исходный минерал | Воздействие реагентов | Продукт хим. реакции |
| Пирит — железный, серный колчедан. Твёрдость 6−6,5 по шкале Мооса, цвет — светло-латунный. | Окисление кислородом | Лимонит — бурый железняк. Минерал охряно-жёлтого оттенка до чёрного, тв. 1,5−5,5. Способен впитывать воду. |
| Гематит — красная железная руда. Окрашенность до тёмно-вишнёвого тона, тв. — 5,5−6,5. | Гидратация | Лимонит. Описание выше. |
| Ангидрит — сульфат кальция. Цвет от синеватого до белого, по Моосу — 3−3,5: ногтем не царапается. | То же | Гипс — может быть серым, красноватым, розовым, синим, желтоватым, бесцветным. Твёрдость — 1,5−2. |
| Полевые шпаты — силикатные минералы, основа половины горных пород земной коры. Кристаллы бесцветные, розовые или любой окраски, тв. 6 единиц. | Гидролиз | Каолин, каолинит — белая глина, может впитывать воду. Высокая огнеупорность. Ценное полезное ископаемое. Применяется во многих отраслях народного хозяйства. |
Химическое выветривание в известняках, доломитах, кальцитах происходит быстрее, чем в кварцевых песчаниках, а повышение температуры ускоряет процесс разрушения. Благодаря химическому типу выветривания, в недрах находится много месторождений полезных ископаемых. Часть из них разрабатывается, другие пребывают в государственном резерве, третьи пока ещё не разведаны.
Определение «Выветривание горных пород» в ЭБНБ
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.Физическое выветривание — это процесс механического раздробления горных пород без изменения химического состава образующих их минералов.
Физическое выветривание активно протекает при больших колебаниях суточных и сезонных температур, например в жарких пустынях, где поверхность почвы иногда нагревается до 60 — 70°С, а ночью охлаждается почти до 0°С. Процесс разрушения усиливается при конденсации и замерзании воды в трещинах горных пород, поскольку, замерзая, вода расширяется на своего объема и с огромной силой давит на стенки. В сухом климате аналогичную роль играют соли, кристаллизующиеся в трещинах горных пород. Так, соль кальция CaSO4, превращаясь в гипс (CaSO4 — 2H2O), увеличивается в объеме на 33%. В результате от породы, разбитой сетью трещин, начинают отпадать отдельные обломки, и с течением времени ее поверхность может подвергнуться полному механическому разрушению, что благоприятствует химическому выветриванию.Химическое выветривание — это процесс химического изменения горных пород и минералов и образования новых, более простых соединений в результате реакций растворения, гидролиза, гидратации и окисления.
Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода выступает в роли активного растворителя горных пород и минералов, а растворенный в воде углекислый газ усиливает разрушающее действие воды.
Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород — гидролиз — приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды.
С деятельностью воды связана также гидратация — химический процесс присоединения воды к минералам. В результате реакции происходит разрушение поверхности минералов, что в свою очередь усиливает их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания.
Реакция присоединения кислорода и образования оксидов (кислотные, основные, амфотерные, солеобразующие) называется окислением. Окислительные процессы широко распространены при выветривании минералов, содержащих соли металлов, особенно железа.
В результате химического выветривания изменяется физическое состояние минералов, разрушается их кристаллическая решетка. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает такие свойства, как связность, влагоемкость, способность к поглощению и др.Биологическое выветривание — это процесс химического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием организмов и продуктов их жизнедеятельности.
При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностном горизонте породы, создавая условия для формирования почвы. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную, плавиковую, азотную, серную и др.), которые разрушают минералы и усиливают процесс выветривания.
Большая роль в биологическом выветривании монолитных пород принадлежит лишайникам, которые разрушают породы как химически, выделяя углекислоту и кислоты, так и механически, проникая гифами внутрь минералов и трещин горных пород.Животные в меньшей степени, чем растения, влияют на горные породы. Однако и они разрушают их путем механического разрыхления и выделения продуктов жизнедеятельности.
Разные породы и минералы имеют неодинаковую устойчивость к выветриванию. Более легко выветриванию подвергаются пористые породы с высоким содержанием минералов: вулканические пеплы, слюды и др. Наоборот, минералы с плотной структурой — устойчивы к выветриванию — это кварциты, граниты и др. Промежуточное положение занимают полевые шпаты.
Интенсивность выветривания зависит также от климатических условий и главным образом от температуры и количества осадков. В условиях засушливого климата продукты выветривания накапливаются, в условиях влажного климата — вымываются (выщелачиваются).
|
«ЭБНБ» >> «В» «ВЫ» |
Химическое выветривание
Выветривание химическое – процесс преобразования пород и минералов под влиянием растворения, окисления, гидратации, замещения и гидролитического разложения, проявляющихся в изменении их внешнего облика, окраски, минерального и химического составов и свойств. Химическое выветривание наиболее интенсивно развивается в условиях тёплого, жаркого избыточно влажного гумидного климата тропиков и субтропиков. На развитие В. х. существенно влияют наличие и характер растительного покрова, микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности и в целом активность биохимических процессов (таблица).
Характеристика химического выветривания пород (по И. И. Гинзбургу)
|
Преобладающие процессы |
Окраска, текстурные особенности и состояние пород |
Особенности состава пород |
|
Окисление и конечный гидролиз |
Бурая, красная, обелённая; текстура часто бобовая, ноздреватая, оолитовая, землистая. Глинистая порода пластичная |
Охры полуторных окислов железа, алюминия и других конечных продуктов выветривания, иногда галлуазита и каолинита |
|
Конечное выщелачивание, развитие гидролиза и слабого окисления (в бедных железом породах) |
Пёстрая, красноватая, пятнистая, зелёная. Заметны следы реликтовой текстуры. Глинистая порода пластичная |
Накопление промежуточных продуктов выветривания – глинистых минералов и других минеральных образований в коллоидно-дисперсном состоянии. Неравномерное распределение гидроксидов. Каолинит (в гранитах), бейделлит, монтмориллонит (в основных породах) |
|
Конечная гидратация силикатов, развитие выщелачивания, начало окисления (в богатых железом силикатах) и начало гидролиза |
Пёстрая, пятнистая, красноватая, зеленоватая и другая более светлая и яркая, чем у исходной породы. Глинистая порода слабопластичная |
Накопление промежуточных продуктов выветривания – глинистых минералов (гидрослюды, гидрохлорита, бейделлита, монтмориллонита, иногда карбонатов) |
Подводный тип
Процессы выветривания горных пород имеют место не только на суше, но, как уже было сказано выше, на дне различных водоёмов, преимущественно океанов и морей. Если рассматривать последние, то при наличии морской воды, богатой минералами, а также при смене температур, газовых режимов и давления происходит растворение горной породы и минералов. При этом формируются новообразования элювиального типа с продуктами биологической, метасоматической и химической природы.
Сочетание всех этих процессов в подводной среде приводит к изменению состава минеральных разностей, которые могут присутствовать здесь на дне либо во взвешенном состоянии. Такую совокупность принято называть гальмиролизом. При этом он относится не только к минеральным образцам на морском дне, но и к продуктам вулканической активности.
К числу ключевых факторов разложения минералов в подводной среде принято относить:
- воду;
- состояние газов;
- биос;
- давление;
- степень солёности;
- температурный режим и его изменения.
В зависимости от глубины водоёма, на которой происходят процессы разложения, схема воздействия этих факторов меняется. В зоне подводного разложения температура, при которой происходят процессы распада и выветривания, более низкая, если сравнивать её с температурным режимом химического выветривания в континентальной среде.
С увеличением глубины, на котором формируется донный осадок, растёт показатель давления. На 200 метрах он составляет порядка 20 атмосфер, а на глубине 10 тысяч метров – до 1000 атмосфер. Таким образом, растворимость газов и твёрдых веществ возрастает. Более активно и в краткий период проходят химические процессы. Также меняется их эффективность и направление.
Высокая скорость скопления осадков не влияет на развитие процессов выветривания под водой. Это обусловлено тем, что осаждаемые материалы долгое время не контактировали с природными водами, вследствие их перекрытия новыми осадочными слоями. При этом солёные воды не успевают оказывать выраженного химического воздействия на эти материалы.
По мере удаления от линии берега на море и в океанах, скорость накопления осадков снижается. По этой причине гальмиролиз проявляется более активно на глубоководных участках водоёмов. Также его активность обусловлена от жизнедеятельности микроорганизмов и скорости осадочного скопления.
Растворённое вещество имеет свойство мигрировать в вертикальном направлении, а его частицы – цементироваться. Под действием гидратации, гидролиза, миграции, восстановления и окисления гальмиролизированные осадки синтезируются в другие минеральные породы. К их числу можно отнести:
- фосфориты;
- гидроксид марганца и железа;
- цеолит;
- шамозит;
- карбонаты;
- глауконит;
- цеолит;
- глинистые породы.
Формируются преимущественно фосфатные породы. Бактериальная микрофлора выступает катализатором при гальмиролизе. Они ускоряют химический процесс, однако не изменяют направленность и продукты, которые они продуцируют в процессе.
Химико-физические условия водной среды непосредственным образом влияют на ход и проявление выветривания под водой. Последнее при этом достигает апогея в развитии при нулевых и малых скоростях накопления осадков в районах подводных хребтов и глубоководных областей.
Напоследок хотелось бы упомянуть о фумарольной и гидротермальной переработке осадочных образований в местах вулканической активности. Здесь преобладают сульфат-ионные составы, а также пирокластические осадки пепла, которые наряду с кислой средой и высокими температурами делают глинозём подвижным. Это, в свою очередь, формирует белоцветной и пестроцветной элюфий, который по Калугину называется сольфатарно-фумарольная кора выветривания.
Процессы в зоне гипергенеза
В зоне гипергенеза, соответствующей приповерхностной биокостной части литосферы, выведенные на поверхность либо на дно морского бассейна горные породы стремятся прийти в равновесие с окружающей средой. Основными источниками энергии здесь являются солнечное тепло и в значительно меньшей степени внутренне тепло Земли. Важнейшую роль в гипергенных процессах играют органическое вещество и вода.
Верхней границей служит земная поверхность. Нижняя граница соответствует уровню затухания воздействия на горные породы фотосинтезирующей жизни, что сопровождается резким сокращением содержания кислорода и соответственно изменением химических условий среды (Eh, pH, угнетение процессов окисления, гидролиза, коллоидообразования). Обычная мощность зоны гипергенеза не превышает десятков метров, но иногда гипергенные процессы проявляются на глубинах в сотни и даже первые тысячи метров. Их проявление в глубинных зонах приурочено к зонам трещиноватости, карстовым полостям, поверхностям контактов пород, подземным горным выработкам, сохраняющим связь с земной поверхностью и служащим путями проникновения гипергенных агентов.
В зоне гипергенеза всегда присутствуют два принципиально различных комплекса минеральных образований: 1) материнские породы (субстрат) и 2) продукты гипергенеза.
В зависимости от условий процессы гипергенеза можно разделить на три группы:
поверхностный (или наземный) гипергенез – комплекс явлений и процессов, происходящих непосредственно на поверхности суши или связанных с проникающими в толщи пород инфильтрационными водами;
глубинный (или подземный) гипергенез — комплекс явлений и процессов, происходящих ниже земной поверхности и связанных с воздействием подземных вод, движущихся по водоносным горизонтам или восходящих по проницаемым зонам (заметим, что эти воды также имеют поверхностное происхождение);
подводный гипергенез (или гальмиролиз) — комплекс явлений и процессов, происходящих на дне морей и океанов при взаимодействии морских вод с горными породами.
Формирование продуктов поверхностного гипергенеза связано с процессами выветривания.
Выветривание – это процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на земной поверхности под воздействием физических, химических и органических факторов.
В зависимости от того, какие факторы обуславливают процессы преобразования пород, выветривание можно подразделить на физическое (или механическое) и на химическое. Биогенные процессы, очень широко проявленные в процессах выветривания, проявляются как в механическом, так и в химическом воздействии на минеральный субстрат. Механическое разрушение пород при биогенном выветривании осуществляется, например, корнями растений, расширяющими трещины, или роющими организмами (черви, муравьи, термины, суслики, кроты и др.). Биохимические процессы активно воздействуют на минеральное вещество как в процессе жизнедеятельности (например, лишайники извлекают минеральные вещества из минералов, что приводит к разрушению последних), так и поставляя химически активные соединения в процессе разложения (органические кислоты, возникающие при разложении опавшей листвы и пр.).
Взаимодействие минерального и органического вещества приводит к возникновению почвы.
Физическое выветривание
Физическое выветривание подразделяется на температурное и морозное.
Температурное выветривание – разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры. Известно, что при нагревании и охлаждении твёрдые тела изменяют свой объём. Не являются исключением горные породы и минералы. В результате суточных колебаний температуры в массиве горных пород возникают напряжения двух типов.
Напряжения первого типа (называемые объёмно-градиентными) связаны с неравномерным нагреванием поверхностной и более глубоких частей массива; различие температур (и, соответственно, различное расширение) в этих частях массива приводят к образованию трещин, направленных параллельно его поверхности. Вследствие этого происходит шелушение и отслаивание пород, называемое десквамацией.
Десквамация в слоистой карбонатной породе (плато Лаго-Наки, Большой Кавказ)
Десквамация вулканических пород (вулканический массив Карад-Даг, Крым)
Второй тип напряжений в пределах объёма породы и минерала связан с различием коэффициентов теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения этого типа приводят к раскалыванию до уровня минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности, до образования частиц размером до сотых долей мм. Быстрее разрушаются темноокрашенные минералы и породы, а также крупнокристаллические полиминеральные породы с большими различиями коэффициентов расширения составляющих их минералов.
Так в процессе температурного выветривания массив пород разрушается с образованием обломочных пород различного размера – от щебня до алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность возникающих таким путём обломочных отложений.
Наиболее активно температурное выветривание протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в нивальных областях и в высокогорных районах, не покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух факторов: 1) резкие суточные колебания температуры, достигающие 50оС и 2) обнажённость горных пород ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного слоя.
Морозное выветривание – разрушение горных пород в результате периодического замерзания попадающей в трещины воды.
Попадая в трещины, в холодное время суток вода замерзает – превращается в лёд, объём которого, как известно, значительно выше, чем исходный объём воды. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки трещин весьма существенно давление, достигающее 1000 кг/см3 и более, что значительно выше прочности большинства горных пород. Давление льда приводит к расширению трещин и раскалыванию пород на крупные обломки размером от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная вода не способна проникать в микротрещины.
Наиболее активно морозное выветривание протекает в холодных и умеренных областях с резкими суточными колебаниями температуры, а также в области развития вечной мерзлоты и в зоне деятельности ледников.
Образующиеся в ходе физического и химического выветривания продукты разрушения могут быть перемещены с места своего образования под действием водных потоков, ветра, движущихся ледников и других экзогенных факторов (процесс перемещения продуктов разрушения горных пород называется денудация) или остаться на месте своего образования. Продукты выветривания, залегающие на месте своего образования, называются элювий. К элювию относят продукты выветривания, не смещённые за пределы площади развития материнских пород (субстата за счёт которого они образовались).
В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта. Если выветривание происходит в горной области, где имеются плоские, горизонтальные поверхности, то продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и более мелкого дресвяного материала. В результате создаются элювиальные россыпи и ландшафты беспорядочного нагромождения глыб, получившие название «каменных морей».
Характерным ландшафтом зон физического выветривания являются каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Гаммады представляют собой нагромождения глыб и щебня, образующиеся за счёт выветривания горизонтально лежащих платов горных пород и выноса ветром пылеватых и песчаных продуктов их разрушения. Краю пластов часто расчленены на останцы конусовидной формы, понижения между которыми заполнены россыпями каменных глыб и щебнем.
Говоря о физическом выветривании необходимо подчеркнуть, что оно приводит к механической дезинтеграции пород и минералов, но не приводит к их химическому преобразованию.
Свойства хорошо выветриваемых почв
Гранитная порода, которая является наиболее распространенной кристаллической породой, обнажающейся на поверхности Земли, начинает выветривание с разрушением роговой обманки . Затем биотит превращается в вермикулит и, наконец , разрушаются олигоклаз и микроклин . Все они превращаются в смесь глинистых минералов и оксидов железа. В результате почва обеднена кальцием, натрием и двухвалентным железом по сравнению с коренной породой, содержание магния снижено на 40%, а кремния — на 15%. При этом почва обогащена алюминием и калием не менее чем на 50%; титаном, численность которого увеличивается втрое; и трехвалентным железом, содержание которого увеличивается на порядок по сравнению с коренной породой.
Базальтовая порода легче выветривается, чем гранитная, из-за ее образования при более высоких температурах и более сухих условиях. Мелкий размер зерна и присутствие вулканического стекла также ускоряют выветривание. В тропических условиях он быстро превращается в глинистые минералы, гидроксиды алюминия и оксиды железа, обогащенные титаном. Поскольку большая часть базальтов относительно бедна калием, базальт выветривается непосредственно до бедного калием монтмориллонита , а затем до каолинита . Там, где выщелачивание происходит непрерывно и интенсивно, как в тропических лесах, конечным продуктом выветривания является боксит , основная руда алюминия. Там, где выпадают интенсивные, но сезонные осадки, как, например, в сезон дождей, конечным продуктом выветривания является латерит, богатый железом и титаном . Превращение каолинита в бокситы происходит только при интенсивном выщелачивании, так как обычная речная вода находится в равновесии с каолинитом.
Для образования почвы требуется от 100 до 1000 лет, очень короткий интервал в геологическом времени. В результате в некоторых формациях обнаруживаются многочисленные слои палеопочв (ископаемых почв). Например, формация Уилвуд в Вайоминге содержит более 1000 слоев палеопочвы в разрезе 770 метров (2530 футов), что составляет 3,5 миллиона лет геологического времени. Палеопочвы были обнаружены в образованиях возрастом до архея (возрастом более 2,5 миллиарда лет). Однако палеопочвы трудно распознать в геологической летописи. Признаки того, что осадочный слой представляет собой палеопочву, включают постепенную нижнюю границу и резкую верхнюю границу, присутствие большого количества глины, плохую сортировку с небольшим количеством осадочных структур, обломочные образования в вышележащих слоях и трещины высыхания, содержащие материал из более высоких слоев.
Степень выветривания почвы может быть выражена как химический индекс изменения , определяемый как 100 Al.2О3/ (Al2О3 + CaO + Na2O + K2О) . Это значение варьируется от 47 для неответренной породы верхней коры до 100 для полностью выветрившегося материала.
