Химическое выветривание горных пород

Министерство образования и науки Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА

Факультет Геологии и геофизики нефти и газа

Кафедра геологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

По дисциплине «Общая геология»

 

на тему: «Химические выветривание горных пород»

 

Студент: Нгуен Кхак Тхань Тюнг

Группа: ГР-13-2

Руководитель: Анферова Е. А.

 

 

 

 

 

 

Оценка_____________________________

(подпись)

 

 

Москва 2014 г. 
Оглавление

 

 

 

2. Введение – понятие о выветриванием:

Экзогенные процессы, проявляющиеся на границе атмосферы и земной коры, приводят главным образом к разрушению горных порол и перемещению продуктов разрушения.

Процессы механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием колебаний температуры, воздействием воды, кислорода, углекислого газа, а также животных и растительных организмов при их жизни и отмирании принято называть выветриванием.

Процессы выветривания происходят главным образом на суше, но частично и на дне водных бассейнов.

Факторами выветривания являются нагревание пород и минералов солнечными лучами (инсоляция), кислород, углекислый газ и водяные пары атмосферы, вода, выпадающая на поверхность Земли и проникающая в ее верхние горизонты, органическое вещество и живые организмы

В понятие выветривания не входят разрушение горных пород под действием ветра, а также разрушительная работа текучих поверхностных и подземных вол, льда, вод озер и морей, относящихся к процессам денудации и рассматриваемых ниже в соответствующих главах.

Сложные процессы выветривания, в зависимости от преобладания тех или других факторов, могут приводить либо к механическому раздроблению горных пород без изменения их химического состава, либо к химическому разложению минеральных компонентов горных пород и превращению их в новые минералы, устойчивые в условиях земной поверхности. Биологическое воздействие на горные породы сводится в конечном счете к механическому раздроблению или химическому преобразованию горных пород.

В едином и сложном процессе выветривания принято выделять физическое (механическое) выветривание и химическое выветривание.

Процессы разрушения горных пород и минералов под воздействием жизнедеятельности организмов и органических веществ, образующихся при их отмирании, рассматривают как третью форму — органическое (биологическое) выветривание. Все типы выветривания проявляются одновременно и взаимосвязаны между собой, но преобладает тот или иной тип, и это определяется главным образом климатическими условиями данной местности.

В аридных, высокогорных и полярных областях с дефицитом жидкой воды преобладает физическое выветривание, в умеренно-влажной, влажной тропической или субтропической зонах - химическое выветривание.

На характер и интенсивность выветривания влияют также геологическое строение и рельеф местности, состав, структура, текстура и трещиноватость материнских пород и продолжительность процессов выветривания, а также животный и растительный мир

Приповерхностная часть земной коры, где происходит выветривание, называется зоной выветривания. Отложения, образованные в результате выветривания и оставшиеся на месте их образования, называются элювием. А. Е. Ферсман зону выветривания называет зоной гипергенеза (от греч. «гипер» - над, сверху), а процессы, протекающие в этой зоне, — гипергенными.

 

 

 

 

Виды выветривания горных пород

 

 

Следы химического выветривания

 

 

 

«Гора смерти» около парка «Корниш» в Серово в Санкт-Петербурге

 

 

 

"Арка" в штате Юта (США), пример  механического выветривания

 

 

3. Химическое выветривание :

Химическое выветривание — это процессы химического разложения минеральных компонентов породы и образование за их смет новых минералов устойчивых в физико-химических условиях земной поверхности.

Процессы физического и химического выветривания взаимосвязаны и происходят одновременно. Вместе с тем механическое разрушение пород опережает и подготавливает материал для химического выветривания. Химическое разложение минеральных компонентов наиболее интенсивно идет в мелко раздробленных и водопроницаемых породах.

Главные факторы химического выветривания — вода, кислород, углекислый газ а при органическом выветривании — продукты жизнедеятельности организмов. Особенно большое значение при химическом выветривании имеет вода, которая в той или другой степени диссоциирована на положительно заряженные ионы водорода Н+ и отрицательно заряженные гидроксильные ионы ОН-. Активность химических процессов увеличивается при повышении количества водородных ионов.

Степень диссоциации возрастает с повышением температуры и особенно увеличивается в присутствии углекислоты. Например, при повышении температуры от 0 до 30оС степень диссоциации возрастает в два раза, а в воде, насыщенной углекислотой, концентрация ионов водорода Н+ увеличивается в 300 раз и более.

Химическое воздействие на горные породы оказывает присутствие в воде ионов HCO3 -, SO2-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+.

Активность химического выветривания связана с разными причинами, однако определяющую роль играют климатические условия. Наиболее благоприятен для химического выветривания жаркий и влажный климат тропиков и субтропиков с высотой среднегодовой темпсратурой, обильными осадками и чередованием дождливых и засушливых сезонов. В этих условиях химические преобразование минералов достигает конечных стадий; в умеренном климате оно замедляется, а в холодном (при многолетней мерзлоте) химическое выветривание практически не происходит.

Типы реакций при химическом выветривании различны в зависимости от состава горных порол и условий. Главнейшими являются: окисление, гидратация, реже дегидратация, растворение, гидролиз, карбонатизация, восстановление.

 

1. Окисление

Окисление горных пород происходит при наличии свободного кислорода в присутствии воды. Как известно, в атмосфере содержится около 21 % кислорода, а в воздухе, растворенном в воде, количество кислорода увеличивается до 30-35 %.

Окислению подвергаются минералы, содержащие железо, марганец, никель, кобальт, серу и другие элементы с разной валентностью. При окислении закисные соединения переходят в окисные. с этим связано изменение цвета породы с зеленовато- или синевато-серого на желтый, красный, бурый.

Наиболее активно окисление проявляется на сульфидных месторождениях. Примером может служить окисление пирита:

 

FeS2 + mO2 + nH2O   ->   FeSO4   ->   Fe2(SO4)3  ->   Fe2O3.nH2O

пирит          сульфат  сульфат  лимонит

      закиси  окиси   (бурный железняк)

      железа  железа

 

В поверхностных условиях при воздействии на сульфиды кислорода и воды пирит оказывается неустойчивым и вначале переходит в сульфат закиси железа, затем в сульфат окиси железа. Сульфаты закиси и окиси Fe в поверхностных условиях также являются неустойчивыми и при дальнейшем окислении переходят в бурый железняк (лимонит). Окисление сопровождается разрушением кристаллической решетки пирита. Фактически в этом процессе происходит не только окисление, но и гидратация. Устойчивый на поверхности лимонит представляет собой сложный агрегат близких по составу минералов — гетита (FeO.OH) и гидрогетита (FeO.OH.nH2O). Название «лимонит» принято использовать как общее обозначение водного окисла железа. Для него характерны желтые и бурые цвета и скрытокристаллическое строение.

На поверхности сульфидных и других железорудных месторождений наблюдается так называемая «железная шляпа», выделяющаяся своим  желто-бурым цветом и представляющая собой зону окисления и гидратации железосодержащих минералов. Глубина зоны окисления обычно не превышает 60 м, но в сильно трещиноватых горных породах достигает 300 м.

Окислению в меньшей степени подвергаются железосодержащие силикаты, такие как оливин, амфиболы и пироксены, а также осадочные породы: пески, песчаники, глины, мергели, содержащие включения железистых минералов, что проявляется в появлении на их поверхности желто-бурой окраски.

При недостаточном количестве влаги образуются бедные водой гидраты окиси железа, такие как гидрогематит (Fe2O3.H2O) с характерной красной окраской. Закисные соединения марганца, кобальта и других элементов также переходят в окисные формы, устойчивые в поверхностных условиях.

 

2. Гидратация

Гидратация широко распространена в природе и выражается и поглощении существующими минералами воды и образовании в результате новых минералов. Примерами гидратации являются переход ангидрита в гипс:

 

CaSO4 + 2Н2О <-> CaS04.2Н2О

                                  Ангидрит                         гипс

 

и гематита в лимонит:

 

Fe2O3 + nН2O <-> Fe2O3.nН2O.

гематит                       лимонит

 

Гидратация сопровождается увеличением объема и возникающими при этом деформациями пород. Это обратимый процесс, и при изменении условий он переходит в дегидратацию (потерю воды). В жарком климате благодаря интенсивному прогреванию солнечными лучами и испарению влаги, вода легко отнимается от гидроокислов железа.

 

3. Растворение и гидролиз

Растворение и гидролиз происходят при совместном воздействии на горные породы воды и углекислоты. Однако это два существенно различных процесса.

Растворением называется способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе без изменения их химического состава. Растворение в природных условиях развито довольно широко. Почти все горные породы растворяются в той или иной степени. Но наиболее интенсивно растворение проявляется в осадочных горных породах – хлоридных, сульфатных и карбонатных.

Наиболее легко растворяются хлориды (соли соляной кислоты), такие как галит NaCl, сильвин KCl и др. Они могут сохраняться в твердом состоянии только в случае, если будут защищены от воздействия воды, например перекрыты водонепроницаемыми породами. Значительно слабее растворяются сульфаты (соли серной кислоты), из которых наиболее распространены гипс CaSO4.2H2O и ангидрит CaSO4.

Карбонаты (известняки и доломиты) ещё менее растворимы, хотя и они хорошо растворяются в воде, содержащей углекислоты.

Силикаты растворяются в незначительной степени.

При растворении происходит выщелачивание горных пород, то есть вынос растворенного материала, а на их месте остаются различные по размерам и форме пустоты — поверхностные и подземные формы рельефа: борозды, углубления, воронки, горизонтальные и вертикальные каналы и др. Процессы растворения горных пород и образования различных форм рельефа называются карстом и подробно охарактеризованы ниже.

При достаточной концентрации раствора в благоприятных условиях растворенное вещество может выпадать в осадок в твердом кристаллическом состоянии, то есть превращаться снова в минерал.

 

4. Гидролиз

Гидролиз — сложный процесс химического разложения минералов, сопровождающийся частичным или полным выносом щелочей, щелочных земель и кремнекислоты, с одной стороны, и присоединением элементов воды (Н+ и ОН-) — с другой. При гидролизе кристаллическая решетка минералов перестраивается и может быть полностью разрушена и преобразована в новую. Наиболее широко гидролизу подвергаются силикаты и алюмосиликаты, слагающие большую часть земной коры. В связи с этим гидролиз является одной из наиболее важных реакций химического выветривания. Каркасная критическая решетка силикатов и   алюмосиликатов при гидролизе разрушается и превращается в слоевую решетку глинистых минералов или слюд, таких как каолинит – Al4OH8[Si4O10], монтмориллонит – (Al2,Mg3)(OH)2[Si4O10], нонтронит – (Fe,Al2)(OH)2[SiO10].nH2O, бейделлит – Al2(OH)2[Si4O10].nH2O и гидрослюды (гидробиотит, гидромусковит и др.).

При гидролизе железисто-магнезиальных силикатов образуются монтмориллонит, нонтронит и бейделлит, а при гидролизе полевых шпатов, характерных для кислых магматических пород, — каолинит и гидрослюды.

Преобразование силикатов и алюмосиликатов происходит стадийно. Примером может служить переход ортоклаза в каолинит с промежуточной стадией преобразования и гидрослюду

 

K[AlSi3O8] + mН20 + nСO2 -> промежуточные минералы (гидрослюда) ->

ортоклаз

-> Al4(OH)8[Si4O10] + SiO2.nH20 + К2СО3

        каолинит                опал         поташ

 

Так же протекает процесс химического разложения и других алюмосиликатов. Характерным при этом является полное вытеснение катионов К, Na, Са, которые при взаимодействии с углекислотой образуют истинные растворы карбонатов (К2СO3, Na2СО3, СаСО3) и бикарбонатов, в условиях влажного климата растворы выносятся с места их образования, а при недостатке влаги они остаются на месте и могут выпадать из раствора.