Хімічне звітрювання гірських порід

Зміст:

 

Вступ

Процеси хімічного вивітрювання

Продукти вивітрювання

Список використаної літератури

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Вивітрювання – це руйнування порід на земній поверхні і їхнє перетворення в продукти, які є більше стійкими в нових  фізико-хімічних умовах. Багато порід спочатку утворювалися при високих тисках і температурах і при відсутності води й повітря. Продукти вивітрювання можуть сильно розрізнятися по складу, і навіть ті з них, які при одних умовах є стійкими, при зміні умов можуть стати нестійкими.

Гірські породи, виходячи на поверхню землі або відкриваючись  гірничими виробками, котлованами  та виїмками, рідко зберігають свою початкову свіжість та природний  фізичний стан. У приповерхневій зоні в нових температурних, вологісних і фізико-хімічних умовах вони піддаються різним змінам – вивітрюванню, в результаті чого виникає й розвивається елювіальна зона – зона вивітрілих порід.

Слід мати на увазі, що руйнування порід часто розуміється  як зміна їхнього фізичного стану, а в дійсності вивітрювання – процес складний, котрий полягає не лише в руйнуванні порід і зміні їхнього мінерального й хімічного складу, але й в утворенні нових, вторинних мінералів, стійких у зоні вивітрювання.

При вивітрюванні гірських порід змінюються:

1. зовнішній вигляд, забарвлення, відтінки, з’являються вицвітання, патьоки, нальоти солей тощо;
2. фізичний стан, тому що послаблюються або зникають внутрішні структурні зв’язки між кристалами мінералів або частками і агрегатами, що їх складають;
3. мінеральний і хімічний склад у тій чи іншій мірі залежно від вивітрілості порід;
4. властивості – вологоємність, водопроникність, водоносність, щільність, пористість, міцність, твердість, тривкість, стійкість і несуча здатність;
5. деформаційність, її характер, величина і неоднорідність на різних ділянках.

Вивітрювання гірських порід у приповерхневих горизонтах земної кори – це безперервний процес, інтенсивність якого залежить як від властивостей власне порід, їх мінерального складу, структури, текстури, так і  від умов навколишнього середовища, тобто кліматичних – фізико-географічних.

Основні агенти вивітрювання порід – температура, вода і водні  розчини, рослинні й живі організми. При цьому інтенсивність вивітрювання зростає зі збільшенням надходження  тепла до поверхні землі або зі збільшенням різкості коливань температури порід, зі збільшенням частоти переходу температури через 0^оС. Впливає також кількість вологи, що надходить, тобто чим більше випадає опадів, чим інтенсивніше відбувається водообмін  у приповерхневих горизонтах порід, чим більше у воді міститься різних агресивних по відношенню до гірських порід речовин, тим інтенсивніше відбувається процес вивітрювання. Велике значення при цьому мають наявність і характер рослинного покриву, мікроорганізмів, вплив різних продуктів їхньої життєдіяльності і в цілому активність біохімічних процесів.

Всі ці агенти руйнування (вивітрювання) гірських порід діють  одночасно, але напруженість і перевага того чи іншого цілком залежить від  кліматичних умов даної місцевості.

Термін “вивітрювання” не відбиває всієї складності процесу, але широко розповсюджений у геологічній, географічній, ґрунтовій літературі. Як синонім уживається термін “гіпергенез”, уведений А. Е. Ферсманом. У єдиному й складному процесі вивітрювання умовно виділяються дві основні взаємозалежні форми:

1) фізичне вивітрювання;

2) хімічне вивітрювання.

При фізичному вивітрюванні відбуваються механічне подрібнення  породи, її дезінтеграція на складові компоненти без помітної зміни мінерального й хімічного складу. Воно пов’язане  головним чином із різкими коливаннями температури, котрі викликають нерівномірне об’ємне й лінійне розширення і стискання мінеральних компонентів і в цілому об’єму всієї породи.

При хімічному вивітрюванні відбувається хімічне розкладення  породи зі зміною мінерального й хімічного складу, з утворенням нових, стійкіших мінералів і накопиченням мінеральної речовини в тонкодисперсному – колоїдному – стані. Основними агентами хімічного вивітрювання є вода і розчинені в ній вуглекислота, кисень,  органічні та інші кислоти, що утворюються в результаті розкладення різних мінералів, рослинних залишків і життєдіяльності організмів.

 

Процес хімічного  вивітрювання

 

У процесах хімічного  вивітрювання беруть участь два хімічні середовища: з одного боку , речовина корінної породи , з іншого - поверхневі і грунтові води з розчиненими в них твердими і газоподібними речовинами. У результаті хімічної взаємодії змінюється склад як одного , так і іншого середовища . Речовина корінної породи збагачується за рахунок розчинів одними складовими частинами , головним чином водою , вуглекислоти і киснем , але віддає їм інші складові частини . Вода є сильним хімічним реагентом завдяки тому, що завжди в тій чи іншій мірі дисоційована на іони Н⁺ і ОН^–. Чим вищою є концентрація водневих іонів у воді, тим сильніша її хімічна дія на мінерали порід. Ступінь дисоціації води, а отже, і концентрація водневих іонів зростає з підвищенням температури. Так, наприклад, концентрація водневих іонів у грунтових водах тропіків приблизно в 6 разів вища, ніж у грунтових водах середніх широт, тому й хімічне вивітрювання там інтенсивніше. Значно зростає дисоціація води за наявності в ній вільної вуглекислоти. У воді, насиченій вуглекислотою, концентрація водневих іонів збільшується в 300 разів і більше.

Хімічне вивітрювання гірських порід характеризується великою складністю. У породі одночасно можуть відбуватися розчинення, окислення, гідратація, заміщення і гідроліз. Природно, що залежно від складу і властивосте власне породи, умов навколишнього середовища, тривалості вивітрювання, глибини залягання порід той чи інший процес може отримати переважаючий розвиток.

Безпосереднє розчинення й вилуговування властиві лише соленосним і засоленим породам, що утримують  легко- і середньорозчинні солі. Розчинність  різних силікатів у порівнянні з  простими солями мізерна. Породи соленосні й засолені зустрічаються у при поверхневих горизонтах Землі лише в умовах недостатнього зволоження, тобто степових і головним чином напівпустельних і пустельних областях.

Процесам окислення  піддається більшість порід і мінералів, що містять закисні форми заліза, марганцю, нікелю, кобальту, ванадію, сірки та інших елементів. Ці процеси полягають у перетворенні закисних сполук металів у окисні, в результаті чого кристалічна гратка мінералів починає руйнуватися. Зовнішньо цей процес виражається перш за все у зміні кольору породи, у появі жовтого (вохристого) забарвлення, у пігментації мінералів, у появі згустків і пластівців у формі натічних колоїдних утворень.

Одним із добре відомих  прикладів подібних процесів є окислення сульфіду заліза (пірит). Сульфіди у присутності вільного кисню і води стають нестійкими і, поступово окислюючись, перетворюються на сульфати, карбонати і окисли.

.

Із піриту отримується  лимоніт, що являє собою сполуку заліза, найстійкішу в при поверхневих горизонтах земної кори. Процесами окислення піриту пояснюється присутність гіпсу в зоні вивітрювання деяких глинистих відкладів. Окисленню піддаються й органічні речовини, часто за допомогою мікроорганізмів. Зовні це також проявляється у зміні забарвлення породи. Так, наприклад, вуглисті й бітумінозні відклади чорного або сірого кольору світліють майже до білого.

Широко розповсюджений при вивітрюванні процес гідратації різних мінералів. Суть його полягає  в тому, що багато мінералів за впливу на них води і водяної пари переходять у сполуки, збагачені на воду, хімічно зв’язують її, утворюючи кристалогідрати. Поряд із хімічно зв’язаною водою при гідратації мінералів з’являється також і фізично зв’язана вода, яка адсорбується поверхнею мінералів. Раніше від усіх починають гід ратуватися мінерали з добре вираженою спайністю, головним чином слюди і хлорити, котрі перетворюються на гідрослюди і гідро хлорити. Наприклад,

.

Процес гідратації мінералів зазвичай супроводжується явищами заміщення катіонів. При цьому виникають нові однотипні мінерали, що розрізняються частковим заміщенням основ. Помічено, що мінерали, наділені високою обмінною здатністю основ, особливо схильні до гідратації. Як приклад гідратації мінералів у зоні вивітрювання можна навести перехід ангідриту в гіпс ( ), гематиту в лимоніт ( ) та ін.

Гідролітичне розкладення  – основний процес хімічного руйнування таких широко розповсюджених мінералів, як силікати. Він полягає в тому, що гідратований іон водню (оксоній) витісняє із кристалічної гратки мінералів K, Na, Ca, Mg і, входячи в неї, послаблює внутрішні зв’язки, викликаючи перебудову каркасної гратки в шарувату, а в подальшому розпад її на окремі компоненти. Послідовність гідролітичного розкладення силікатів можна представити у вигляді наступних схем:

;

Ортоклаз                                                Монтморилоніт

у кислішому середовищі

;

Ортоклаз                                                       Каолініт

у вуглекислому середовищі

.

Ортоклаз                                                                     Каолініт

Аналогічною є схема  розкладення і залізисто-магнезіальних силікатів. Характерно, що в першу чергу із кристалічної гратки первинних мінералів витісняються основи, котрі утворюють істинні розчини, і виносяться. Кремнезем при розпаді частково переходить у розчин і виноситься, частково переходить у колоїдний стан, виноситься або випадає в осад у вигляді водного кремнезему – опалу, а частково витрачається на побудову нових, вторинних – глинистих – мінералів. Залізо, що входить до складу залізисто-магнезіальних силікатів, переходить із закисної форми в окисну, утворюючи вільні гідрати окису заліза (лимоніт), і накопичується в зоні вивітрювання.

Вторинні – глинисті – мінерали в умовах жаркого і  вологого клімату тропіків і субтропіків  при значній тривалості процесів вивітрювання можуть піддаватися подальшому розкладенню і переходити в кінцеві найпростіші продукти хімічного вивітрювання – окисли кремнію, алюмінію і заліза, що є найстійкішими у зоні вивітрювання. Таке розкладення можна представити у вигляді схеми

.

Складний процес гідролітичного розкладення силікатів не можна розглядати в ізольованому вигляді: зазвичай він супроводжується явищами гідратації, окислення, карбонатизації, заміщення і винесенням деяких елементів із зони вивітрювання. При цьому виникають нові – вторинні – мінерали й мінеральні утворення.

На сьогодні виділяють  наступні чотири основні стадії вивітрювання гірських порід, встановлені Б.Б.Полиновим: 1) уламкову, 2) сіалітну лужну, 3) сіалітну кислу і 4) алітну.

Уламкова стадія характеризується переважанням фізичного вивітрювання над хімічним. На цій стадії відбувається механічне руйнування – подрібнення, дезінтеграція – гірської породи майже без

;

Ортоклаз                                                Монтморилоніт

у кислішому середовищі

;

Ортоклаз                                                       Каолініт

у вуглекислому середовищі

.

Ортоклаз                                                                     Каолініт

Аналогічною є схема розкладення  і залізисто-магнезіальних силікатів. Характерно, що в першу чергу із кристалічної гратки первинних мінералів витісняються основи, котрі утворюють істинні розчини, і виносяться. Кремнезем при розпаді частково переходить у розчин і виноситься, частково переходить у колоїдний стан, виноситься або випадає в осад у вигляді водного кремнезему – опалу, а частково витрачається на побудову нових, вторинних – глинистих – мінералів. Залізо, що входить до складу залізисто-магнезіальних силікатів, переходить із закисної форми в окисну, утворюючи вільні гідрати окису заліза (лимоніт), і накопичується в зоні вивітрювання.

Вторинні – глинисті – мінерали в умовах жаркого і вологого клімату  тропіків і субтропіків при значній  тривалості процесів вивітрювання можуть піддаватися подальшому розкладенню і переходити в кінцеві найпростіші продукти хімічного вивітрювання – окисли кремнію, алюмінію і заліза, що є найстійкішими у зоні вивітрювання. Таке розкладення можна представити у вигляді схеми

.

Складний процес гідролітичного розкладення силікатів не можна розглядати в ізольованому вигляді: зазвичай він супроводжується явищами гідратації, окислення, карбонатизації, заміщення і винесенням деяких елементів із зони вивітрювання. При цьому виникають нові – вторинні – мінерали й мінеральні утворення.

На сьогодні виділяють наступні чотири основні стадії вивітрювання гірських порід, встановлені Б.Б.Полиновим: 1) уламкову, 2) сіалітну лужну, 3) сіалітну кислу і 4) алітну.

Уламкова стадія характеризується переважанням фізичного вивітрювання над хімічним. На цій стадії відбувається механічне руйнування – подрібнення, дезінтеграція – гірської породи майже без зміни її мінерального й хімічного складу. Залежно від тривалості уламкової стадії вивітрювання ступінь подрібнення породи може бути різним: від грубоуламкового (брилового) до дрібноуламкового (щебенистого і жорствяно-піщаного). В арідних областях, у полярних і холодних гірських країнах цією стадією в основному і завершується вивітрювання гірських порід.

Стадія сіалітна лужна є початковою стадією хімічного вивітрювання гірських порід. На цій стадії із порід, що вивітрюються, виносяться всі прості розчинні солі – хлориди, сульфати і карбонати лужних і лужноземельних металів. Починається гідратація мінералів і гідролітичне розкладення силікатів із винесенням основ (K, Na, Mg, Ca). Лужні й лужноземельні метали, що переходять у розчин, обумовлюють лужну або нейтральну реакцію середовища і переводять у рухомий стан частину кремнезему, бо він є розчинним у лужних водах. Те ж саме відбувається з Mn, котрий виноситься. Полуторні окисли (Fe₂O₃, Al₂O₃, TiO₂ та ін.), надходячи в розчин із материнських порід, коагулюють і осаджуються. Двовалентне залізо, швидко окислюючись до тривалентного, також осаджується. Починається утворення глинистих мінералів (гідрослюд, гідрохлоритів, монтморилоніту, нонтроніту, бейделіту). Накопичується слаборозчинний карбонат кальцію, відбувається звапнювання породи, через що цю стадію називають також сіалітною звапнювання.