Хімічне вивітрювання

Це процес хімічного перетворення або руйнування мінералів і гірських порід під дією природних вод (атмосферних, поверхневих, ґрунтових, підземних), який супроводжується їх розчиненням та вилуговуванням. Вода, у якій вміщуються різні хімічні сполуки, призводить до розчинення, окислення, гідролізу, гідратації й дегідратації мінералів.

Інтенсивність хімічного вивітрювання залежить від багатьох причин, головними з яких є рельєф місцевості, кліматичні умови, хімічні властивості гірських порід та час дії води на них. Для хімічного вивітрювання найсприятливішим є рівнинний, слаборозчленований рельєф. В умовах теплого й холодного клімату хімічне вивітрювання йде до повного розкладу первинних продуктів, а у холодному кліматі відбуваються лише часткові зміни мінералів. Унаслідок хімічного вивітрювання природні води насичуються різними хімічними елементами та сполуками і часто змінюють свій хімічний склад.

Розглянемо найпоширеніші процеси хімічного вивітрювання.

Розчинення. Залежить від мінерального складу гірських порід, хімічної активності води, природних та кліматичних умов. Легко розчиняються галоїди, сульфати, деякі карбонати. Велику роль відіграє хімічна активність води, що залежить головним чином від умісту іонів Н⁺ і ОН^-. Кислі розчини, збагачені іонами Н⁺, здатні розчиняти сполуки кальцію, магнію, натрію, заліза. Лужні розчини, збагачені іонами ОН^-, розчиняють навіть важкорозчинні сполуки включно із кварцом. Розчинна здатність природних вод посилюється в умовах теплого та вологого клімату.

Процес розчинення, який супроводжується винесенням з гірських порід легкорозчинних хімічних сполук, має назву вилуговування. Вилуговування супроводжується утворенням у породі шпарин і порожнин. Прикладом може слугувати вилуження з карбонатних порід легкорозчинних зерен кальциту, що призводить до появи в них каверн та карстових порожнин.

Окислення гірських порід та мінералів відбувається як під дією вільного кисню, що знаходиться у воді, так і вологи повітря. При цьому сульфіди переходять у сульфати, карбонати й інші кисневі сполуки; закисні сполуки заліза та міді – в окисні, а останні – у гідроокисли, які є стійкішими в умовах земної поверхні.

Характерним є процес окислення піриту (FeS₂):

4FeS₂+11H₂O +15O₂= 2Fe₂O₃^.3H₂O+8H₂SO_4. (3.1)

пірит лімоніт

У ході цієї реакції окислення утворюється мінерал лімоніт і сірчана кислота. Лімоніт займає місце піриту, а сірчана кислота переходить у водний розчин. Зони окислення виділяються на фоні первинних руд забарвленням. Так, у чорних магнетитових породах зона окислення має червонуватий або бурий кольори.

Гідроліз – реакція обмінного розкладу між речовиною і водою. Водні розчини не лише насичують мінерали водою, але й спричиняють їх хімічний розклад, що супроводжується розчиненням та обміном речовин. Цей процес призводить до руйнування кристалічних ґраток мінералів і утворення нових хімічних сполук. У природі гідроліз найяскравіше виражений у силікатів. Мінерали цього класу, що утворилися в умовах високих температур та тисків, на земній поверхні за наявності води й двоокису вуглецю розпадаються на складові (компоненти) і в процесі обміну утворюють нові хімічні сполуки. Одні з цих сполук легко переходять у розчин і виносяться із зони вивітрювання, а інші залишаються на місці, формуючи кори вивітрювання. До легкорозчинних належать кислі й вуглекислі солі натрію, калію, кальцію, магнію. До важкорозчинних – водні окисли кремнію, алюмінію, заліза.

Одним із характерних прикладів гідролізу є каолінізація польових шпатів, які становлять ледь не половину всіх мінералів земної кори. Тверді зерна польових шпатів за наявності води і двооксиду вуглецю розкладаються з утворенням землистого каолініту, аморфного опалу та легкорозчинних солей калію, натрію, кальцію. Процес гідролізу проходить за схемою

K₂O^.Al₂O₃^.6SiO₂+nH₂O+CO₂ →Al₂O₃^.2SiO₂^.2H₂ + SiO₂^.nH₂O + K₂CO₃. (3.2)

ортоклаз каолініт опал поташ

У зоні помірного клімату гідроліз польових шпатів називають за кінцевим продуктом – каоліновим вивітрюванням. У регіонах з тропічним кліматом розклад алюмосилікатів іде глибше – до утворення водних окислів алюмінію – бокситів:

Al₂O₃^.2SiO₂+2Н₂О+СО₂+nH₂O → Al₂O₃^.mH₂O+ SiO₂^.nH₂O. (3.3)

каолініт боксит опал

Гідратація (водонасичення) – явище приєднання води безводними мінералами. При цьому молекули води входять до структури мінералу і можуть бути видалені лише в процесі його прокалювання при температурі більше ніж 400^оС. Класичним прикладом гідратації мінералів є перетворення ангідриту в гіпс. Поглинаючи воду, безводний ангідрит перетворюється у сульфат кальцію (гіпс), що вміщує воду:

CaSO₄+2H₂O↔ CaSO₄^.2H₂O. (3.4)

ангідрит гіпс

Насичення водою супроводжується перебудовою кристалічної решітки мінералу і збільшенням його об’єму. Гіпс у порівнянні з ангідритом збільшується в об’ємі на 33%. Процес гідратації супроводжується також розвитком тріщинуватості гірських порід.

Дегідратація (зневоднення) – процес виділення води з мінералів та гірських порід. Відбувається шляхом відокремлення молекул води від сполук, що вміщують гідроксильні групи, кристалізаційну і цеолітну воду. Дегідратація в природі пов’язана із сонячною радіацією, внутрішньою теплотою Землі, з дією водозабираючих солей і призводить до розтріскування мінералів і гірських порід.

Продукти хімічного вивітрювання, що залишилися на місці руйнування гірських порід, мають назву елювію (лат. eluvio – вимивання). Залишкові продукти вивітрювання зберігають усі особливості складу материнської породи, її форму залягання і текстуру. В будові елювію спостерігається вертикальна залежність. Верхні шари зазвичай уміщують продукти фізичного вивітрювання і змінені значно більше, ніж нижні.

Хімічне вивітрювання, що проходить під водою, має назву гальміроліз. Підводне вивітрювання відбувається в умовах водного середовища за нестачі вільного кисню та двоокису вуглецю. Внаслідок цього утворюються червоні глибоководні глини, бентонітові глини, конкреції заліза та марганцю.