Геологические процессы и документы

1. Геологические процессы и документы

 

Что понимается под геологическим процессом? Это  физико-химические процессы, происходящие внутри Земли или на ее поверхности  и ведущие к изменению ее состава  и строения.

Традиционно все геологические  процессы принято делить на эндогенные и экзогенные. Деление это производится по месту проявления и по источнику энергии этих процессов.

Эндогенные – это внутренние процессы; экзогенные – внешние, поверхностные для них источник энергии – это энергия солнца и сила тяжести (гравитационное поле Земли).

К эндогенным процессам  относятся:

1. Магматизм (от слова магма) – процесс, с которым связано рождение, движение и превращение магмы в магматическую горную породу
2. Тектоника (тектонические движения) – любые механические движения земной коры – поднятия, опускания, горизонтальные перемещения и т.д.
3. Метаморфизм – процессы приводящие к изменению состава, строения горных пород внутри Земли при изменении физико-химических параметров (Т⁰; Р и др.)

К экзогенным процессам  относятся процессы, которые протекают на поверхности или вблизи поверхности, которые изменяют облик Земли и связаны с деятельностью атмосферы, гидросферы и биосферы:

1. Выветривание
2. Геологическая деятельность ветра
3. Геологическая деятельность текучих вод
4. Геологическая деятельность подземных вод
5. Геологическая деятельность снега, льда, вечной мерзлоты
6. Геологическая деятельность морей, озер, болот
7. Геологическая деятельность человека

Для всех экзогенных процессов  в их деятельности проявляется три  особенности.

Первая – в определенных условиях они ведут разрушительную работу и удаляют продукты разрушения. Таким образом идет формирование отрицательных (пониженных) форм рельефа и происходит общее снижение и сглаживание поверхности суши. Процесс разрушения и удаление продуктов разрушения получил название – денудация. Этот процесс очень важный, т.к. он все время обнажает на поверхности все более глубокие части земной коры.

Вторая характерная особенность в деятельности экзогенных процессов проявляется в том, что в других условиях они ведут созидательную деятельность – аккумуляцию, которая приводит к накоплению продуктов разрушения и образованию геологических тел. Между этими двумя сторонами деятельности проявляется третья, а именно осуществляется перенос продуктов разрушения.

Каждый геологический процесс (эндогенный, экзогенный) в конечном итоге приводит к каким-то изменениям, которые не проходят бесследно, а в чем-то фиксируются. Важнейшими геологическими документами, в которых зафиксированы результаты деятельности процессов являются: минералы, горные породы, геологические тела, газовые и водные смеси, физические поля. Это те реальные объекты (или документы), которые мы видим и исследуем.

Минерал – это природное химическое соединение, обладающее определенным составом, формой и физико-химическими свойствами. Это тот исходный первичный «кирпичик» самый маленький, который исследователь может видеть не вооруженным глазом и из которых состоят горные породы.

Горная порода – это природная ассоциация (совокупность) минералов определенного происхождения, слагающие геологические тела.

Геологическое тело – некоторый объем внутри или на поверхности, сложенный горной породой и имеющий резкие границы с другими геологическими телами, например, пласт, кварцевая жила. Из геологических тел состоит земная кора, и на геологических картах показываются выходы (границы) геологических тел.

 

1. Экзогенные процессы

1.1.1 Выветривание

(термин «выветривание» не отражает существа процесса и прямого отношения  к деятельности ветра не имеет)

Выветривание  (weathering, degradation)

- процесс разрушения и изменения горных пород и минералов в приповерхностных условиях под воздействием физико-химических факторов атмосферы, гидросферы и биосферы.

Факторами выветривания являются:

1. Колебание температур (суточное, сезонное)
2. Химические агенты: O₂, H₂O, CO₂
3. Органические кислоты (ульминовая, гуминовая)
4. Жизнедеятельность организмов

В зависимости от факторов, вызывающих выветривание различают  несколько видов:

Таблица 1

тип	выветривание
класс	физическое	химическое	органическое
вид	Температурное Морозное Кристаллизация солей	Окисление Растворение Гидратация Гидролиз	Механическое разрушение Разложение (химическое) Образование органогенных соединений

Физическое  выветривание

Физическое  выветривание пород происходит без  изменения их химического состава. Порода просто дробится на обломки с постепенным уменьшением их размера вплоть до песка. Примером такого физического разрушения может служить температурное выветривание.

Температурное выветривание. Температурное  выветривание происходит в результате резких колебаний температур, вызывающих неравномерное изменение объема горных пород и слагающих их минералов. Периодическое нагревание и охлаждение пород при суточных и сезонных колебаниях температур приводит к образованию трещин и к распадению их на глыбы, которые в свою очередь подвергаются дальнейшему измельчению. Чем резче колебания температур, тем интенсивнее проявляется физическое выветривание и наоборот, в условиях «мягкого» климата механическое разрушение пород происходит крайне замедленно. Наиболее активно температурное выветривание проявляется в пустынях,  полупустынях и высокогорных областях, где горные породы очень сильно нагреваются и расширяются днем, охлаждаются и сжимаются ночью. Интенсивность и результаты выветривания определяются также составом, структурой и цветом породы: полиминеральные породы будут разрушаться быстрее, чем мономинеральные. Этому значительно способствует анизотропия и неодинаковые коэффициенты расширения главнейших породообразующих минералов. Например, коэффициент объемного расширения кварца в два раза больше, чем у ортоклаза.

Глубина температурного выветривания при суточных колебаниях температур составляет не более 50 см, а  при сезонных колебаниях – несколько  метров.

Частными случаями температурного выветривания являются процессы десквамации (шелушения), сфероидального выветривания и дезинтеграции зерен.

Десквамация – это отделение от гладкой поверхности скал чешуек или толстых пластин параллельно поверхности породы при ее нагревании и охлаждении независимо от текстуры, структуры и состава породы.

При сфероидальном  выветривании первоначально угловатые, разбитые трещинами блоки пород  в результате выветривания приобретают  округлую форму.

Дезинтеграция зерен – ослабление и отделение зерен грубозернистых пород в результате чего порода рассыпается, при этом образуется дресва или песок, состоящий из несвязанных между собой зерен различных минералов.  Дезитеграция зерен происходит всюду, где обнажаются крупнозернистые породы.

Другим видом  физического выветривания является морозное выветривание, при котором породы разрушаются под действием замерзающей воды, проникающей в поры и трещины. При замерзании воды объем льда увеличивается на 9%, что создает значительное давление в горных породах. Таким образом легко дробятся породы с высокой пористостью, например, песчаники, а также сильно трещиноватые породы, в которых трещины распираются ледяными клиньями. Наиболее интенсивно морозное выветривание протекает в зонах, где среднегодовая температура близка к нулю. Это зона тундры, а также в горных районах на уровне снеговой линии.

Кристаллизация  солей – образование и рост кристаллов в пустотах и трещинах – способствует разрушению пород, подобно действию ледяных клиньев.

Продукты  физического выветривания. В результате физического выветривания на поверхности образуются угловатые обломки, которые в зависимости от своего размера подразделяются на: глыбы – (> 20 см); щебень – (20 – 1 см); дресва – (1 – 0.2 см); песок – (2 – 0.1 мм); алеврит – (0.1 – 0.01 мм); пелит – (< 0.01 мм). Скопление этих продуктов приводит к формированию рыхлых осадочных горных пород.

Химическое  выветривание

При химическом выветривании разрушение горных пород  происходит с изменением их химического  состава главным образом под  воздействием кислорода, углекислого  газа и воды, а также активных органических веществ содержащихся в атмосфере и гидросфере.

Главными реакциями, обуславливающими химическое выветривание, являются окисление, гидратация, растворение  и гидролиз.

Окисление – это переход элементов с низкой валентностью в высоковалентное за счет присоединения кислорода. Особенно быстро окислению подвергаются сульфиды, некоторые слюды и другие темноцветные минералы.

 

Лимонит – это  самая устойчивая форма существования  железа в поверхностных условиях. Все ржавые пленки и ржаво-бурая окраска пород обусловлена присутствием гидроокислов железа. Так как железо постоянно входит в химический состав многих породообразующих минералов – значит при химическом выветривании этих минералов Fe⁺⁺ перейдет в Fe⁺⁺⁺, т.е. лимонит. Окисляется не только Fe, но и другие металлы.

В условиях недостатка кислорода протекает процесс восстановления, при котором металлы с высокой валентностью переходят в соединения с более низкой валентностью. Подобный процесс наиболее ярко протекает в зонах окисления сульфидных месторождений.

Выше уровня (зеркало) грунтовых вод располагается  зона обогащения O_2, и в ней интенсивно протекают процессы окисления, в результате чего сульфиды металлов переходят в сульфаты, которые хорошо растворимы и просачивающимися водами перемещаются вниз до уровня грунтовых вод в зону обедненную кислородом. В этой зоне сульфаты восстанавливаются и переходят во вторичные сульфиды в результате чего возникает зона богатых руд (зона вторичного обогащения). На поверхности же рудного тела в результате окисления и выщелачивания образуется так называемая железная шляпа, которая представляет собой каркас кварца пропитанного лимонитом. Процессы окисления и восстановления можно представить в виде схемы:

Первичные Сульфиды  Ме

окисление

Сульфаты

восстановление

Вторичные сульфиды  Ме

  

Гидратация – это химическое присоединение воды к минералам горных пород с образованием новых минералов (гидросиликатов и гидроокислов) с другими свойствами.

Fe₂O₃ + nH2O ® Fe₂O₃ ´ nH₂O

  гематит                           лимонит

 

CaSO₄ + 2H₂O ® CaSO₄ ´ 2H₂O

ангидрит                              гипс

 

превращение ангидрита в гипс всегда сопровождается значительным увеличением объема породы, что приводит к механическому разрушению всей гипс-ангидритовой толщи.

Растворение – способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе. Оно происходит с различной скоростью для разных пород и минералов. Наибольшей растворимостью обладают хлориды (галит NaCl, сильвин KCl и др.). Менее растворимы сульфаты, карбонаты.

Гидролиз – наиболее важный процесс химического выветривания, т.к. путем гидролиза разрушаются силикаты и алюмосиликаты, которые слагают половину объема внешней части континентальной коры.

Гидролиз –  это обменное разложение вещества под  влиянием гидролитической диссоциации воды, сопровождающееся разрушением одних и образованием других минералов. Наиболее характерен пример гидролиза полевых шпатов:

K[AlSi₃O₈] + nH₂O + CO₂ ® K₂CO₃ + Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + SiO₂ ´ nH₂O

  ортоклаз                                    в раствор            каолинит                     опал

 

Дальнейший  гидролиз каолинита приводит к его  разложению и образованию латерита:    

 

Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ ® H₂Al₂O₄ + SiO₂ ´nH₂O  Латерит

 

Интенсивность процесса гидролиза, которому сопутствуют растворение и гидратация, зависит от климатических условий: - в умеренном климате гидролиз протекает до стадии образования гидрослюд;  - во влажном теплом климате – до стадии образования каолинита; - в субтропическом климате – до стадии образования латерита. Таким образом при гидролизе разрушаются силикаты, алюмосиликаты; на их месте накапливаются глинистые минералы, а за счет вытеснения катионов образуются свободные окислы и гидроокислы алюминия, железа, кремния, марганца.

Латериты являются ценными рудами на алюминий. При перемыве латеритной коры выветривания и переотложении гидроокислов алюминия формируются месторождения бокситов.

Стадии  химического выветривания

В соответствии с приведенной последовательностью  выделяются 4 стадии химического выветривания;

1. Обломочная, при которой породы превращаются в рыхлые продукты физического выветривания;
2. Обизвесткованного элювия (сиаллитная), когда начинается разложение силикатов, сопровождаемое удалением хлора, серы и обогащение пород карбонатами;
3. Глин (кислая сиаллитная стадия), когда продолжается разложение силикатов и происходит отщепление и вынос оснований (Ca, Mg, Na,K), а также образование каолиновых глин на кислых породах и нонтронитовых – на основных;
4. Латеритов (аллитная), завершающая стадия химического выветривание, на которой идет дальнейшее разложение минералов (отщепляются и выносятся окислы и гидроокислы алюминия и железа – гетит, гидрогетит и гиббсит, гидраргиллит).