Устойчивость минералов к процессам выветривания
Степень устойчивости | Минералы первичные | Минералы вторичные |
Очень неустойчивые | Оливин, апатит, анортит | Галит, мирабилит, гипс и органические соли |
Неустойчивые | Авгит, роговая обманка, Лабрадор | Кальцит, арагонит, доломит |
Сред неустойчивые | Биотит, андезин, гранат, эпидот | Хлорит, нонтронит, иллит, серицит |
Устойчивые | Ортоклаз, микроклин, альбит, олигоклаз | Вермикулит, монтмориллонит, бейделлит |
Наиболее устойчивые | Кварц, мусковит, циркон, турмалин, рутил, ильменит, анатаз, кианит, титанит, магнетит | Каолинит, галлуазит, бемит, гиббент, гематит, гетит, лимонит |
ных пустынь. Процессам биохимического выветривания пород и минералов способствуют высокие температуры и влажность, а также обилие органических остатков. Наиболее быстро породы и минералы химически изменяются во влажных субтропиках и тропиках, к умеренным и полярным областям скорость биохимического процесса выветривания уменьшается.
Более быстрому протеканию процессов биохимического выветривания способствует удаление подвижных продуктов распада из выветривающихся пород и почвенной толщи. Поэтому в условиях хорошо дренированного рельефа при обилии осадков выветривание идет быстрее, чем в условиях затрудненного дренажа или аридного климата.
Физическое выветривание горных пород и минералов. Термин «выветривание» не совсем удачен; можно подумать, что в разрушении пород повинен только ветер.
Действительно, местами его роль велика. В пустынях ветром поднимаются и несутся мелкие песчинки, с силой ударяясь о поверхность скал и высверливая в камне маленькие, а затем все более расширяющиеся ячейки; стенки ячеек постепенно истончаются и разрушаются, идет так называемый процесс коррозии. Но наряду с ветром повсеместно действуют и другие мощные агенты физического выветривания. Первый из них связан со свойствами самой породы и проявляется как следствие суточных и сезонных колебаний температуры. Наибольшие амплитуды температур создаются на поверхности породы, с глубиной они уменьшаются: суточные колебания сказываются до глубины нескольких дециметров, а годичные — до 10 и даже 20 м. В местностях с морским климатом суточные и сезонные колебания температур невелики; в местностях, лежащих внутри континентов; вдали от моря они наибольшие и достигают десятков градусов.
Горные породы, как и все тела, при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются; их теплопроводность невелика, поэтому верхние слои прогреваются, а следовательно, и расширяются сильнее, чем более глубокие; в результате создаются механические напряжения, появляются трещины между поверхностными и более глубокими слоями; скалы начинают «шелушиться». Кроме того, действует и еще один фактор — горные породы состоят из зерен различных минералов (гранит, например, состоит из прочно скрепленных друг с другом кристаллов кварца, полевого шпата, слюды и других минеральных зерен), которые при нагревании расширяются неодинаково (например, коэффициент теплового расширения ортоклаза почти в три раза больше, чем кварца). Кристаллы многих минералов расширяются неодинаково по разным кристаллическим направлениям. Если минеральные зерна с неодинаковыми коэффициентами теплового расширения и сжатия оказываются рядом, это приводит к возникновению напряжения между ними, при частых колебаниях температур приводит к «расшатыванию», нарушению целостности породы и появлению сети тонких трещин. Эти трещинки играют большую роль в дальнейшем разрушении горной породы. Попадающая в них вода оказывает на стенки давление, достаточное для разрушения даже самых твердых пород. Так, согласно данным Ребиндера, при обычной температуре в трещинках толщиной в 1 мк капиллярное давление воды составляет около 1,5 кг/см2; в трещинках с диаметром в 1 мкм — до 1500 кг/см2.
При понижении температуры ниже нуля вода в трещинах замерзает, лед занимает больший объем, чем жидкая влага, он давит на стенки трещин и еще более расширяет их. В трещины проникают корни растений, которые при росте также оказывают давление на стенки.
В жарких пустынных областях действие, аналогичное замерзающей воде, производят соли. Они попадают в трещины горной породы в растворенном виде с проникающей влагой. При нагревании поверхности скал влага испаряется, соли кристаллизуются. При росте кристаллов их объем увеличивается, они оказывают давление на стенки трещин и расширяют последние.
Физическое разрушение пород приводит к образованию обломочной, хрящевато-щебневатой коры выветривания. Полярные пустыни и вершины гор, если они не покрыты снегом и льдом, представляют собой «каменные моря», где вся поверхность покрыта крупными, беспорядочно нагроможденными остроугольными камнями — продуктами разрушения массивных пород.
Ярким примером господства процессов физического выветривания являются выровненные поверхности гольцов на Северном Урале, в горах Таймыра, Средней и Восточной Сибири, где среди каменных россыпей возвышаются лишь отдельные скалы — «свидетели» былого состояния вершинной поверхности. Другой пример господства физического выветривания — «каменные моря» — скопления крупных обломков скал, щебня и гравия, в которых «тонут» горные сооружения в жарких пустынях мира.
Физическое разрушение пород и минералов замедляется по мере уменьшения размеров образующихся частиц и практически останавливается по достижении ими состояния крупной пыли — частиц, диаметр которых лежит в пределах 0,05—0,01 мм. Еще более дисперсного состояния выветривающиеся минералы достигают в результате химического и биохимического выветривания.
Химическое и биохимическое выветривание минералов. Одновременно с физическим разрушением горных пород начинается и их химическое изменение. Атмосферная вода, насыщенная кислородом, соприкасаясь с породой, производит гидратацию, окисление и растворение ряда минералов.
Попадающая вместе с водой на поверхность породы и в ее трещины разнообразная микрофлора (синезеленые и диатомовые водоросли, грибы, бактерии), а также поселяющаяся на поверхности породы литофильная растительность (лишайники, мхи) также весьма активно участвуют в химическом изменении минералов.
В процессе жизнедеятельности организмы выделяют углекислый газ СО2 В больших количествах СО2 образуется и при разложении органических остатков. Поэтому вода, циркулирующая в мельчайших трещинах породы, всегда насыщена углекислотой. При растворении СО2 в воде образуется Н2СО3, которая при диссоциации дает ионы Н+ и НСО3-. Увеличение концентрации ионов водорода в воде за счет растворения С02 сильно повышает растворяющее и разлагающее действие на минералы.
Живые организмы выделяют различные органические соединения, способствующие разложению минералов: лишайники — особые органические кислоты; силикатные бактерии — разъедающую минералы слизь; диатомовые водоросли — слизь, разлагающую даже такой устойчивый минерал, как каолин. Наконец, при разложении органических остатков образуются специфические органические кислоты, близкие к кислотам, характерным для органического вещества почв, которые также участвуют в биохимическом выветривании.
Таким образом, агентами химического выветривания минералов являются: вода, кислород, углекислота и различные органические соединения преимущественно кислотного типа.
При воздействии воды, кислорода, углекислоты и органических кислот в поверхностных горизонтах литосферы и в почвах идут реакции растворения, окисления, гидратации и гидролиза минералов. Одновременно происходит синтез вторичных минералов. Некоторые из них, как, например, многие глинистые минералы, диаметр частиц которых <0,001 мм, устойчивы и сохраняются в выветривающейся толще пород; другие, как, например, простые соли (хлориды, сульфаты, карбонаты), малоустойчивы, растворяются и выносятся с грунтовыми и поверхностными водами.
Растворение. Все минералы, и первичные и вторичные, подвержены в той или иной мере процессам растворения, что проявляется в химическом составе природных вод. Наибольшей растворимостью обладают хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных металлов, менее растворимы карбонаты кальция и магния. Их растворение и выщелачивание из толщ карбонатных, гипсоносных и засоленных пород приводит к формированию карста — солевого, гипсового и карбонатного. Растворение и выщелачивание солей из почв сопровождается образованием особого просадочного микрорельефа.
Значительно меньшей растворимостью обладают фосфаты кальция и кремнезем, освобождающийся при выветривании первичных минералов или осадочных кремнистых пород. Первичные алюмосиликаты и кварц в чистой дистиллированной воде малорастворимы. Однако в природных водах, насыщенных углекислотой или содержащих органическое вещество, или имеющих высокую щелочность, растворение усиливается, но здесь этот процесс идет параллельно с разложением минералов.
Гидратация. Процесс гидратации заключается в присоединении молекул воды к безводным минералам, что приводит к трансформации их кристаллической решетки и образованию новых минералов. Так, присоединение молекул воды к безводному минералу гематиту дает серию минералов-гидроксидов различной степени гидратиро- ванности:
Fe2О3 + Н2О -> FeO(OH)+ Н2О -> FeO(OH), + иН2О -> Fe(OH), • nН2О
гематит гетит гадрогетит лимонит
Окисление химических элементов с переменной зарядностью идет в присутствии кислорода и воды. Оно касается прежде всего такого распространенного элемента, как железо. В первичных силикатах и алюмосиликатах присутствует преимущественно двухзарядное железо. Если при дроблении минералов, содержащих двухзарядное железо, отдельные ионы его оказываются на поверхности, начинаются процессы окисления и гидратации. На поверхности обломков пород и минеральных зерен появляются охристые, оранжевые пятна и пленки гидроксидов железа Fe2О3 • nН2О. Они особенно обильны при большом содержании в породах темноцветных минералов: оливина, пироксенов и биотита. В случае наличия в породах минералов двухзарядного марганца при его окислении и гидратации образуются гидроксиды трех- и четырехзарядного марганца — манганит МпО(ОН), пиролюзит МпO2 и др. Гидроксиды марганца выделяются в форме черных, сажистых скоплений, иссиня-черных пленок на поверхности пород и минеральных зерен.
Окисление двухзарядных железа и серы сульфидов (пирита, марказита и др.) сопровождается образованием наряду с сульфатами и гидроксидами железа свободной серной кислоты:
2FeS2+7O2+2H2O = 2FeSO4 +2H2SO4
2FeSO4+0+5H2P = 2Fe(OH)3+2H2SO4
Образующаяся серная кислота активно разрушает минералы; водород вытесняет основания из кристаллических решеток, в результате образуются сульфаты кальция CaSO4, магния MgSO4, натрия Na2SO4 и калия K2SO4. Наиболее легкорастворимые из них в условиях свободного дренажа выщелачиваются; менее растворимые, как, например, гипс CaSO4- • 2Н2O,вопределенных условиях могут накапливаться; происходит загипсование выветривающейся породы.
Гидролиз. Постоянно присутствующая в большинстве природных вод растворенная углекислота, а также продуцируемые организмами органические кислоты являются источниками водородного иона Н+ (протона) — активного реагента, способного вытеснять основания из кристаллических решеток минералов (Са2+, Mg2+, Na+, К+). Процесс замещения оснований на водородный ион в кристаллической решетке силикатов и алюмосиликатов и их гидратации называется гидролизом. С процессами гидролиза и вторичного синтеза минералов из продуктов распада связано образование обширной группы глинистых минералов, диаметр кристаллов которых измеряется микронами и долями микронов. Высокая степень дисперсности обусловливает появление у глинистых минералов свойств коллоидов: они имеют на поверхности заряд, преимущественно отрицательный, обладают сорбционными свойствами по отношению к катионам, могут переходить, подобно коллоидам, в состояние золя и коагулировать; некоторые из них при увлажнении сильно набухают как истинные коллоиды. Все они принадлежат к группе слоистых силикатов (двух-, трех- и четырехслойных) с варьирующим отношением SiО2/Al2О3 от 2 до 5; все глинистые минералы в той или иной степени гидратированы.
В двухслойных глинистых минералах элементарный слой кристаллической решетки состоит из одного тетраэдрического кремне- кислородного слоя и одного октаэдрического алюмогидроксильного (рис. 6.3, а). Молекулярное отношение SiО2/Al2О3 = 2.
В трехслойных глинистых минералах на один октаэдрический алюмогидроксильный слой приходится два тетраэдрических крем- некислородных (рис. 6.3, б, в). Между трехслойными пакетами располагаются ионы калия, кальция, магния и гидроксония. Молекулярные отношения SiО2/Al2О3 варьируют от 3 до 4, так как в части тетраэдров кремний может быть замещен алюминием.
К двухслойным глинистым минералам относятся каолинит, гал- луазит, дикит и накрит. В кристаллической решетке этих минералов почти все основания замещены водородом. Наиболее распространенные среди них — каолинит и галлуазит — образуются при условии быстрого удаления оснований, вытесняемых из кристаллических решеток первичных минералов (см. рис. 6.3, а).
Рис. 6.3. Строение глинистых минералов и обменные катионы. Минералы:
а — каолинит (двухслойный); б — монтмориллонит (трехслойный с расширяющейся решеткой); в — иллит (трехслойный со стабильной решеткой); 1 — кремнекислородные тетраэдры; 2 — алюмогидроксильные октаэдры; 3 — необменные катионы; 4 — обменные катионы.
В гидротермических условиях поверхности земли это достаточно устойчивые минералы. Они накапливаются наряду с гидрокси- дами алюминия и железа в качестве остаточных продуктов в древних корах выветривания и сформированных на этих корах почвах.
Трехслойные глинистые минералы представлены группой монтмориллонита, включающей монтмориллонит, нонтронит и бейделит (см. рис. 6.3, б). Эти минералы образуются в нейтральной или щелочной среде, где присутствуют кальций и магний. Монтмориллонит часто образуется при выветривании основных пород, богатых щелочноземельными основаниями. Кристаллическая решетка монтмориллонита при увлажнении способна расширяться, вода проникает в межплоскостные промежутки и минерал сильно разбухает, что облегчает проникновение различных оснований в межслоевое пространство, увеличивая сорбционную способность этой группы минералов. В кислой среде монтмориллонит неустойчив.
К группе трехслойных глинистых минералов, но со стабильной решеткой относятся иллит и гидрослюды (рис. 6.3, в). Иллит — калийная гидрослюда — образуется на первых стадиях выветривания полевых шпатов. Внешне это проявляется в образовании на поверхности минеральных зерен и по трещинам спайности мелких слюдоподобных светлых чешуек.
При длительном течении процесса выветривания происходит полное метосоматическое (без изменения первоначальной формы минералов) замещение гидрослюдами зерен первичных полевых шпатов. Дальнейший гидролиз гидрослюд и полное замещение калия водородным ионом преобразует иллит в каолинит или галлуазит.
При выветривании слюд и хлорита образующиеся на первых стадиях выветривания гидромусковит, гидробиотит, гидрохлорит при дальнейшем выветривании переходят в вермикулит, железисто-магнезиальный алюмосиликат, подобно монтмориллониту имеющий подвижную кристаллическую решетку.
В процессе преобразования первичных и синтеза вторичных алюмосиликатов образуется большая группа промежуточных смешан- нослойных минералов — смектитов. Это трех- и четырехслойные глинистые минералы, в кристаллической решетке которых в качестве элементарных структурных элементов выступают кристаллические решетки различных глинистых минералов, например, монт- мориллонит-иллита, монтмориллонита-вермикулита-хлорита и др.
Наряду с глинистыми алюмосиликатами при выветривании и разрушении кристаллических решеток как первичных, так и вторичных минералов освобождаются оксиды кремния (кремнезем SiО2) и алюминия (глинозем А12О3). Гидроксиды кремнезема частично растворяются и выносятся с подземными и поверхностными водами в речной сток, а частично осаждаются в виде аморфных сильно гидратированных осадков SiО2 • nН2О, которые при высыхании и некоторой потере воды превращаются в опал, а по мере частичной кристаллизации переходят в халцедон.
Белые порошковидные новообразования аморфного кремнезема на поверхности минералов и структурных отдельностей в вывет- релых породах и почвах получили название «кремнеземистой присыпки».
Гидроксиды алюминия менее растворимы, чем гидроксид кремнезема. В нейтральной и слабокислой среде они накапливаются как остаточные продукты выветривания. При кристаллизации гидрокси- дов алюминия образуются минералы: боксит А12О3 • nН2О, гидраргил- лит, или гиббсит А1(ОН)3, бёмит АlO(ОН). Это типичные минералы коры выветривания и почв влажных субтропиков и тропиков.
При выветривании железосодержащих силикатов — авгитов, роговых обманок, оливина — освобождаются гидроксиды железа. По мере кристаллизации и потери воды они превращаются в лимонит, гидрогетит, гетит и вторичный гематит. Все эти минералы ярко окрашены, они имеют охристый, оранжевый или кирпично- красный цвет и присутствие их хорошо заметно.
Первичные минералы, содержащие марганец, при выветривании являются источником в коре выветривания и почвах оксидов марганца — пиролюзита Мп02 и псиломелана mМпО • МпO2 •nН2O.
При быстром течении процессов выветривания и полном разложении алюмосиликатов на составляющие оксиды кремния и алюминия происходит их совместное осаждение в виде аморфных гидратированных осадков — аллофанов с варьирующим отношением SiO2/Al2O3.
По мере старения и кристаллизации они переходят в глинистые слоистые алюмосиликаты: каолинит, а в присутствии Са и Mg — в
монтмориллон ит.
Освобождающиеся при выветривании первичных минералов кальций, магний, калий, натрий соединяются с анионом угольной кислоты и образуют углекислые соли — карбонаты. Например:
CaAl2Si2O8+ Н2СO3 + Н2O -> H,Al2Si2O8- 2Н2O + CaCO3
анортит каолинит кальцит
При выветривании калиевых полевых шпатов и кислых плагиоклазов образуется много соды Na2CO3 • 10Н2O, выделяется поташ К,СО Н2O, при выветривании кальций- и магнийсодержащих минералов - доломит (Са, Mg)CO3.
Остаточные коры выветривания и коррелятивные им типы аккумулятивных отложений
В теплых и влажных областях Земли при слаборасчлененном рельефе химическое выветривание опережает физическое разрушение пород и снос рыхлого материала; в этих условиях поверхность горных пород одевается мощной глинистой корой выветривания.
Так, если во влажных субтропиках Аджарии проехать или еще лучше пройти пешком по шоссе от Чаквы до Зеленого мыса и далее до Батуми, то в местах, где дорога проходит в глубоких выемках, высокие 10—20 м вертикальные стенки имеют красный, оранжевый и охристый цвета. Если смотреть издали, кажется, что это массивные пестроокрашенные горные породы. Хорошо видна свойственная массивным породам текстура (общее строение), отчетливо выступают диаклазы — плоскости скольжения относительно друг друга блоков массивной породы при тектонических движениях. Но если подойти поближе, можно легко убедиться, что это не каменный, а глинистый материал. Хотя он и сохранил структуру исходной породы, но, как масло, режется ножом или лопатой. Лишь в наиболее глубоких выемках и в береговых обрывах рек видно, как эта красно- цветная глина постепенно сменяется сначала сильно измененными, а затем плотными и свежими диабазовыми порфиритами — вулканическими породами, имеющими здесь широкое распространение. Время образования подобной мощной глинистой коры выветривания очень велико и составляет сотни тысяч и миллионы лет, в течение которых вода и растворенные в ней углекислота, кислород и органические кислоты — продукты жизни и разложения организмов — коренным образом изменяют минералогический, химический состав и физические свойства исходной породы.
Из коры выветривания в процессе распада первичных минералов и образования вторичных вымываются легкорастворимые продукты выветривания; в первую очередь выносятся различные простые соли — хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, затем сульфаты и карбонаты кальция и магния, вслед за ними выносится и некоторая часть кремнезема. На месте остаются малоподвижные оксиды железа (кроваво-красный гематит, охристый лимонит и др.), оксиды алюминия и в их числе наиболее широко известный боксит, а также часть кремнезема, связанного с алюминием во вторичный очень устойчивый глинистый минерал — каолинит.
Коры выветривания, обогащенные оксидами железа и алюминия, называются ферраллитными, менее обогащенные алюминием — ферсиаллитными. Если рельеф расчленен слабо, а осадков выпадает много, просачивающиеся сверху в выветрелую толщу воды временами застаиваются, аэрация ухудшается и в нижней переувлажненной части коры выветривания создается восстановительный режим: окисное железо переходит в закисное, красный цвет исчезает, появляется сизовато-голубой; этот процесс и его внешнее проявление называется оглеением. Соединения закисного железа в отличие от окисного хорошо растворимы и поэтому с общим потоком воды выносятся из оглеенного горизонта; на месте остается белый каолинит. Подобные отбеленные горизонты достигают большой мощности и лишь у поверхности, где аэрация улучшается, сменяются пестроокрашенной, а затем кирпично-красной, хорошо окисленной зоной.
Поток грунтовых вод, обогащенных закисным железом, приближается в депрессиях рельефа и речных долинах к поверхности и попадает в условия более хорошей аэрации; при наличии кислорода закисное железо снова переходит в окисное, теряет подвижность и выпадает в осадок. Вблизи поверхности в почвах и в рыхлых наносах образуются ожелезненные прослои, часто состоящие из слившихся друг с другом плотных округлых железистых конкреций. Мощность таких ожелезненных прослоев достигает 1 — 1,5 м. Эти образования получили название латеритов (от лат. later — кирпич). Если в результате эрозии (смыва) верхних горизонтов почв подобные латеритные прослои оказываются на поверхности и просыхают, то они превращаются в массивный непробиваемый железистый панцирь, предохраняющий поверхность от дальнейшего размыва. Поэтому часто латеритные панцири, бронирующие рельеф, оказываются не в депрессиях (где они первоначально образовались), а на плоских вершинах останцов, уцелевших от размывающей деятельности вод. Латеритные панцири, так же как и ферраллитные коры выветривания с отбеленными каолинитовыми горизонтами, широко распространены на древних пенепленизированных равнинах тропической Африки, Австралии, Юго-Восточной Азии и Южной Америки.
Древние ферраллитные и ферсиаллитные коры можно встретить не только во влажных тропиках и субтропиках на древних элементах рельефа. Так, мощные древние коры выветривания распространены вдоль всего восточного подножия Урала, на равнинах Центрального Казахстана, в Забайкалье, на Дальнем Востоке и в других местах, где сохранились древние денудационные равнины, не покрывавшиеся в последние геологические эпохи морем и потому сохранившие на своей поверхности эти реликты влажного и жаркого климата, господствовавшего здесь в далекие геологические времена — около 180 млн лет назад, в конце триасового и начале юрского периодов.
Древние коры выветривания изучаются геологами и географами, так как с ними связан ряд полезных ископаемых и главным образом месторождения бокситов — ценного сырья для алюминиевой промышленности. Отбеленные древние коры выветривания, обогащенные каолинитом, служат сырьем для фарфоровой промышленности; местами в Африке латеритные панцири разрабатываются как железные руды.
Наряду с корами выветривания, имеющими широкое плошад- ное распространение, встречаются так называемые линейные коры выветривания. Они тянутся вдоль тектонических разломов — нарушений земной коры, по которым из глубин земли поднимаются горячие растворы, часто обогащенные тяжелыми металлами: медью, свинцом, никелем, кобальтом, цинком, железом и многими другими. При понижении температуры и давления сульфиды тяжелых металлов осаждаются — образуются гидротермальные месторождения. Породы вдоль разломов не только раздроблены при тектонических сдвигах, под воздействием термальных вод они изменены: первичные минералы, например полевые шпаты, замещаются вторичными — серицитом, гидрослюдами. Все это облегчает и ускоряет их дальнейшее выветривание и образование линейной коры.
Кроме того, если в пределах данного разлома имеются сульфидные месторождения и они вследствие тектоники или эрозии оказываются в зоне, куда проникают кислород и атмосферная влага, начинается процесс окисления, сопровождающийся образованием серной кислоты. Особенно много ее образуется при окислении пирита — сульфида железа.
Серная кислота — очень сильный реагент и производит исключительное разрушающее действие на окружающие породы: идет сернокислое выветривание. Многие рудные металлы — железо, цинк, медь, кадмий и другие — хорошо растворяются в серной кислоте и вместе с потоком кислых вод «рассеиваются» в зоне окисления сульфидных месторождений. Вокруг месторождения, находящегося часто глубоко от поверхности (на 50—100 м и более), создается ореол рассеяния рудных металлов; в пределах ореола кора выветривания, почвы, воды и растения обогащены рудными элементами по сравнению с обычным «фоновым» содержанием.
Геохимические поиски полезных ископаемых, широко применяющиеся в нашей стране и во всем мире, основаны на выявлении подобных геохимических аномалий.
Разработка методики геохимических поисков применительно к различным географическим и геологическим условиям и сами поисковые работы проводятся при активном участии географов — специалистов в области геохимии ландшафта.
Геохимия ландшафта — это отрасль географии, изучающая историю и закономерности рассеяния и концентрации химических элементов в ландшафтах, различных географических зонах (в тундре, тайге, степях, пустынях) и геоморфологических областях: молодые горы, древние горные сооружения, денудационные и аккумулятивные равнины.
При геохимических поисках на древних денудационных равнинах с сохранившимися древними площадными и линейными корами выветривания особое значение приобретает анализ геохимической истории ландшафта — основы для выбора наиболее эффективных и экономически выгодных в данных условиях конкретных методов опоискования.
Ранее были рассмотрены особенности кор выветривания, образующихся на древних элементах рельефа во влажных субтропиках и тропиках, а также в исключительной обстановке вблизи сульфидных месторождений.
Коры выветривания образуются и в других климатических об- становках, но их состав и мощность существенно иные.
Крупнейший российский ученый, основатель геохимии ландшафта академик Б.Б. Полынов теоретически обосновал и показал на ряде географических примеров стадийный характер развития коры выветривания, связанный с неравномерностью вымывания из нее растворимых продуктов выветривания. Он выделил четыре фазы развития коры выветривания: обломочную, обызвесткованную, кислую сиаллитную и аллитную.
В обломочной коре выветривания еще сохраняются все химические элементы, присутствующие в исходной горной породе, вторичных минералов практически нет.
Из обызвесткованной коры выветривания вынесены освобождающиеся при выветривании хлориды и сульфаты, но сохраняются карбонаты кальция. Для этого типа коры выветривания, широко распространенного в степях и пустынях, уже характерно образование ряда глинистых минералов, гидрослюд, иллита, а главное — присутствие кальцита-карбоната кальция, скопления которого в виде белых мучнистых конкреций, прожилок, корочек на поверхности щебня — характерный признак обызвесткованной коры выветривания. Обыз- весткованные коры широко распространены в степях Забайкалья, в степях и пустынях Казахстана и Средней Азии, в Армении и многих других местах.
Кислая сиаллитная кора выветривания в отличие от обызвесткованной распространена во влажном климате умеренных широт и на молодых элементах рельефа во влажных субтропиках и тропиках, преимущественно в лесной зоне. Сиаллитная остаточная кора оглинена, обогащена гидроксидами железа, но содержит еще много первичных минералов. Глинистые минералы представлены гидрослюдами, смектитом, хлоритом. Все легкорастворимые соли и карбонаты кальция из нее вымыты, поэтому она обеднена по сравнению с исходными породами не только хлором и натрием, но и кальцием.
Аллитная кора выветривания представляет наиболее зрелую стадию, в ней не сохранилось первичных минералов, они замещены каолинитом и гидроксидами железа и алюминия. До такой стадии выветривания породы доходят только во влажном климате субтропических и тропических поясов, где в тектонически спокойных областях процессы выветривания обгоняют денудацию.
Однако 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.
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. 6.4). 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.
Вынос больших количеств кремнезема и оснований из феррал- литных 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.
Рис. 6.4. Типы сочетаний (а—в) остаточных и аккумулятивных кор выветривания (по Б.Б. Полынову): 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 почвообразу- ющими породами.
Почвы, образовавшиеся на коре выветривания того или иного типа, в той или иной мере наследуют их минеральный состав. Однако в процессе почвообразования многие минералы почвообразу- ющих пород подвергаются дальнейшим изменениям. В почвах, обладающих по сравнению с корой выветривания более высоким энергетическим потенциалом, и процессы разрушения минералов, и процессы вторичного синтеза идут с большой скоростью; эти процессы объединяются понятием внутрипочвенного выветривания.
Глава 7
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ (МЕХАНИЧЕСКИЙ) СОСТАВ ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД И ПОЧВ
Гранулометрические фракции и методы их определения
Обломки плотных пород и минералы, образующие твердую фазу почв, различаются не только по типу кристаллической структуры и химическому составу, но и по размерам. В почвообразующих породах и почвах могут присутствовать обломки плотных пород, размеры которых измеряются сантиметрами и даже десятками сантиметров (так называемый скелет почвы). Размеры отдельных зерен первичных минералов лежат в пределах от 1,00 до 0,01 мм, хотя весьма часто диаметр некоторых зерен кварца, полевых шпатов и других минералов превышает 1 мм. Размеры частиц различных слюдистых минералов (серицита, гидрослюд и др.) обычно колеблются от 0,01 до 0,001 мм. Наиболее распространенные глинистые минералы еще более дисперсны, размеры их частиц — 0,005—0,0001 мм. И наконец, в почвах присутствуют коллоидно-дисперсные минеральные и органические вещества, диаметр частиц которых обычно меньше 0,0001 мм.
Преобладание частиц того или иного размера в почвообразующих породах и почвах определяет в значительной мере многие физические свойства почвенной массы.
Процентное содержание в почве частиц различного размера и их соотношение называется гранулометрическим (или механическим) составом почв. Когда говорят о соотношении частиц различного размера, имеют в виду группы частиц, диаметр которых лежит в определенных пределах. Каждая из таких групп называется гранулометрической (механической) фракцией (табл. 7.1).
В основу разделения гранулометрических фракций положены различия главным образом в водно-физических свойствах. Так, каменистая часть почвы или почвенный скелет почти не обладает способностью удерживать влагу, просачивающуюся в почву, а также поднимать ее вверх, например, от уровня грунтовых вод по капиллярам. Песок (3,0—0,05 мм) имеет лишь очень слабую водоудерживающую и водоподъемную способность. Напротив, пыль (0,05—0,001 мм) очень хорошо удерживает воду и обладает хорошей водоподъемной способностью. В пылеватых почвах вода по капиллярам может подниматься вверх на 4—5 м от уровня фунтовых вод. Ил (<0,001 мм) имеет плохую водопроницаемость и меньшую, чем у пылеватых ча-
Таблица 7.1
Дата добавления: 2020-07-18; просмотров: 1155;