Хімічне звітрювання гірських порід

Сіалітна кисла стадія характеризується тривалим вимиванням основ і SiO₂ із силікатів, що руйнуються. Внаслідок цього лужні умови поступово змінюються на кислі, розпочинається міграція важкорозчинних сполук Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO₂ та ін. Чим кислішим є середовище, тим інтенсивніше розкладаються силікати. Винесення магнію і калію, яке продовжується, призводить до руйнування глинистих мінералів, що утворилися на попередній стадії.  Кисле середовище сприяє збереженню й утворенню глинистих мінералів, позбавлених основ (каолініт, галуазит та ін.).

Алітна стадія характеризується подальшим розкладенням і спрощенням сполук. Силікати розпадаються на найпростіші окисли кремнію, алюмінію і заліза. Переважаюче значення у продуктах вивітрювання, що утворюються, отримують полуторні окисли алюмінію і заліза. Цей процес призводить до формування латеритів – залишкових відкладів, збагачених на гідрати окислів заліза і вільний глинозем. Ця стадія розвинена головним чином в умовах жаркого і вологого клімату тропіків і субтропіків.

Добре сформована зона хімічно  вивітрілих порід наділена ясною мінливістю у вертикальному напрямку, причому донизу зустрічаються все менше й менше змінені породи. Умови їхнього руйнування на різній глибині є різними, бо донизу послаблюється температурний вплив; води, які просочуються, стають все більше мінералізованими і їхня агресивність знижується; вміст кисню з глибиною зменшується. Середовище стає більш лужним. Над рівнем грунтових вод, у зоні аерації, панують окислювальні умови, нижче – нейтральні і відновні.

Загальна потужність зони хімічного вивітрювання порід може сягати десятків і навіть сотень метрів.

Відповідно до «Будівельних норм і  правил…» рекомендується визначати  показник ступеня вивітрілості порід  як відношення щільності вивітрілої породи до щільності тієї ж невивітрілої породи .

Залежно від величини вивітрілі породи можуть розділятися на наступні групи:

1. Невивітрілі (монолітні). . Породи залягають у вигляді суцільного моноліту.
2. Слабко вивітрілі (тріщинуваті). . Породи залягають у вигляді незміщених окремостей.
3. Вивітрілі. . Породи залягають у вигляді накопичення шматків, яке переходить у тріщинуваті різновиди.
4. Сильно вивітрілі (рухляки). . Породи залягають у вигляді окремих уламків.

Для захисту споруд від  шкідливого і небезпечного впливу процесів вивітрювання на їхню стійкість застосовують різноманітні інженерні заходи (зрізання порід; залишення вивітрілих порід  в основах за умови дотримання певних обмежень; захист порід від агентів вивітрювання шляхом влаштування різного покриття; штучне покращення властивостей порід різними розчинами; застосування штучних основ шляхом заміни вивітрілих порід подушками з інших).

He всі хімічні елементи , які беруть участь у складі корінної породи , з однаковою легкістю переходять в розчин. Одні роблять це досить легко і швидко , інші значно повільніше і , нарешті , треті є майже нерозчинними , поступово накопичуючись в елювії в якості залишкових продуктів хімічного вивітрювання. Хімізм цього процесу дуже детально розроблений Б.Б. Полиновим .

Він розділяє найголовніші елементи, що входять до складу найбільш поширених гірських порід , на чотири порядки за швидкістю їх надходження у розчини . Насамперед з породи видаляються сполуки хлору і сірки ; на другому місці стоять кальцій , натрій , магній і калій ; до третього порядку відноситься кремнезем, що входить до складу силікатів ; і, нарешті, останніми залишаються залізо , алюміній і вільний кремнезем ( кварц) .

Відповідно цьому, Полинов розрізняє чотири стадії хімічного вивітрювання елювію. У першій стадії елювій представляє продукти фізичного вивітрювання , що не збіднені ще ніякими елементами . У другій стадії видалені хлор і сірчана кислота , це так званий « обізвесткованний Елювій ». У третій стадії видалені Ca , Na , Mg , К - це стадія глин. У четвертій стадії видалений кремнезем силікатів - це стадія латеритів, що представляють залишкові накопичення оксидів Fe і Al.

Всі ці процеси йдуть тим інтенсивніше, чим жаркіший і вологіший клімат .

Найбільш поширеними процесами утворення глин є наступні чотири процеси:

1 . Розкладання силікатних, в основному польовошпатових порід з накопиченням глин як залишкових продуктів вивітрювання.

2 . Вилуговування вапняків з накопиченням укладеної в них глинистої речовини як залишкового продукту.

3 . Розкладання глинистих  сланців під дією сірчаної  кислоти, що утворюється при  окисленні укладеного в сланцях  піриту .

4 . Утворення і накопичення глин при процесах зледеніння.

Вилуговування вапняків із звільненням глинистої речовини може протікати досить інтенсивно навіть в умовах суворого клімату , в районах  з розвитком вічної мерзлоти. Так, наприклад , в Алданськом золотоносному  районі при вилуговуванні среднекембрийских вапняків утворюються значні скупчення жовтих і червоних , вельми пластичних глин.

Розкладання глинистих  сланців під дією сірчаної кислоти  зазвичай має суто місцеве значення і обмежується лише тими ділянками сланців, які інтенсивно піритизовані. При широко розвиненою регіональною пірітізацією сланців розвиток пов'язаних з ними глин може мати регіональний характер. Глини, що утворюються цим способом, звичайно є надзвичайно в'язкими.

Формування глин при процесах заледеніння є не цілком зрозумілим. Невідомо, утворюються вони завдяки хімічному або фізичному вивітрюванню . У всякому разі , льодовикові відкладення зазвичай бувають сильно глинисті , але чисті глини утворюються лише при їх перемиванні. Можливо, що в деяких випадках льодовики відіграють тільки транспортну роль.

У деяких випадках глини  утворюються незалежно від процесів вивітрювання. Сюди, наприклад, відноситься каолінізація вміщуючих порід близько деяких епітермальних родовищ. Прекрасним прикладом утворення подібних каолінових глин є родовище Біла Гора.

Отже, хімічне вивітрювання зводиться до розчинення і видалення найбільш рухливих складових частин породи і до поступового зміни складу залишкових продуктів. Ця зміна виражається головним чином в окисленні і гідратізаціі, частково також в карбонатізациії. Характер залишкових продуктів може бути дуже різним для різних мінералів та їх комплексів . Розглянемо коротко хімічне вивітрювання найбільш поширених рудних, жильних і породотвірних мінералів.

Пірит FeS2 , пірротін FeS , арсенопірит FeAsS та інші залізовмісні мінерали при своєму окисленні дають малорухливі скупчення бурого залізняку Fe2О3 * nH2O , які накопичуються у вигляді залишкових продуктів, утворюючи « залізну кришку » рудних родовищ. При окисленні арсенопіріта миш'як, який входить до його складу,  разом з частиною заліза переходить у типовий мінерал зони окислення - скородит FeAsO4 * 2Н2O , що покриває зеленуватими плівками кристали арсенопіріта або утворює самостійні скупчення.

Як проміжні продукти вивітрювання залізовмісних сульфідів дуже часто з'являються різноманітні сульфати заліза типу мелантеріта , ярозиту , копіапіту та ін.

Халькопірит CuFeS2 та інші мідні сульфіди при слабкому ступені окислення можуть давати куприт Cu2O і самородну мідь. При більш досконалому окисленні виходять малахіт CuCO3 * Cu ( OH) 2 і азурит 2CuCO3 * Cu ( OH) 2 . У присутності вільної сірчаної кислоти обидва ці мінерали не є достатньо стійкими ; переходячи в розчин , мідь переміщається в більш глибокі зони родовища, де, відновлюючись, дає скупчення вторинних сульфідів .

Галеніт PbS і сфалерит ZnS при своєму окисленні переходять в вуглекислі з'єднання: церуссит PbCO3 і смітсоніт ZnCO3 . У присутності вільної сірчаної кислоти, що утворюється від окислення піриту, цинк переміщається досить легко, свинець є майже нерухомим завдяки малій розчинності його сульфату . Тому церуссит PbCO3 один з дуже стійких мінералів зони окислення. Цинк іноді випадає з розчинів у вигляді кремнекислого цинку - галмею ZnSiO3 * Zn ( OH) 2 , який є менш рухливим , ніж смітсоніт .

Телуриди золота і срібла при вивітрюванні вельми легко окислюються , даючи , з одного боку , самородне золото і срібло , з іншого - різні окислені сполуки телуру ; цей процес вельми важливий для можливості утворення розсипів з деяких золоторудних родовищ.

Аргентит Ag2S та інші срібні мінерали , досить легко окисляючись , дають самородне срібло , хлористе срібло і ін. , які , потрапляючи в відновні умови , переходять знову у вторинний аргентит .

Магнетит Fe3O4 , хроміт (Mg , Fe) Cr2O4 , касситерит SnO2, вольфраміт (Fe , Mn) WO4 , шеєліт CaWO4 , вісмут Bi є дуже стійкими мінералами в умовах окислення і тому часто зустрічаються в розсипах поряд із золотом і платиною.

Квapц SiО2 , барит BaSO4 , флюорит CaF2 є дуже стійкими мінералами і  в зоні вивітрювання не піддаються змінам. Кварц майже не розчиняється, барит розчиняється в кількості 2-3 г / т , флюорит - 16 г / т.

Карбонати : кальцит СаСО3 , доломіт CaMg ( CO3 ) 2 , анкерит Ca ( Fe , Mg) ( CO3 ) 2 , сидерит FeCO3 , родохрозит MnCO3 , в умовах зони окислення є мінералами не дуже стійкими. Карбонати кальцію і магнію помітно розчиняються у воді, причому розчинність першого вельми сильно збільшується в присутності в розчині вільної вуглекислоти. FeCO3 легко окислюється, даючи лімоніт . Анкерит при цьому перетворюється в скупчення пухкої охри. MnCO3 перетворюється на оксиди і гідрати окислів марганцю.

Гранати, турмалін, ільменіт, шпінель - досить стійкі в умовах вивітрювання і тому спільно з золотом і платиною концентруються в розсипах .

Апатит не змінює свого  хімічного складу , але досить легко розчиняється.

Польові шпати : ортоклаз K2Al2Si6O16 , альбіт Na2Al2Si6O16, анортит CaAl2Si2О8 і проміжні між двома останніми плагіоклази є найголовнішими породотвірними мінералами. Вони вивітрюються тим важче, чим більше містять у своєму складі кремнезему. Більш стійкими є альбіт і ортоклаз , а плагіоклази тим легше вивітрюються, чим більший містять відсоток анортиту. Лужні полішпати , альбіт і ортоклаз при вивітрюванні насамперед втрачають свої луги , які у вигляді вуглекислих сполук переходять в розчин. Одночасно відбувається втрата деякої частини кремнезему. Залишок гідратується, і полішпати перетворюються на різні глиноподібні з'єднання. Кінцевим продуктом цих перетворень в умовах теплого і вологого клімату є каолін Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O . Однак в умовах більш холодного клімату процес каолінізаціі полішпатов ніколи не доходить до кінця.

В умовах дуже спекотного клімату процес вивітрювання на цьому не зупиняється, а йде далі. Каолін втрачає свій кремнезем , перетворюючись на латерит , тобто в скупчення гідроокису алюмінію і заліза.

У кислих плагіоклазах вивітрювання йде в основному по шляху утворення слюд.

Більш основні, багаті кальцієм плагіоклази вивітрюються значно легше. Вони заміщуються глинистими частинками, серицитом, часто альбітом , кальцитом і мінералами епідот-цоізітової групи; надалі кальцит вилуговується, альбіт вивітрюється , інші є в звичайних умовах вивітрювання досить стійкими .

Слюди і хлорити відносяться до хімічного вивітрювання досить різно. Найменш стійкі чорні і бурі слюди ( біотит та ін ), які досить легко вивітрюються , втрачаючи луги , що переходять в розчин , і залізо, що випадає у вигляді лимоніту , і перетворюються на хлорит . Навпаки , хлорит і серицит є дуже стійкими і звичайно в помітних кількостях присутні в продуктах вивітрювання.

Піроксени і амфіболи як мінерали вивітрюються легко. Залізо виділяється з них і накопичується в залишкових продуктах у вигляді лимоніту.

Олівін (Mg , Fe) 2SiO4 вивітрюється досить легко. Залізо виділяється, накопичуючись у вигляді лимоніту . Частина магнію виноситься у вигляді вуглекислої солі , залишок гідратується, перетворюючись в змійовик Н4Mg3Si2O9 .

Решта породотвірні мінерали, є менш поширеними, вивітрюються в загальному за тими ж принципами , що і розібрані вище. Луги, тобто натрій і калій, видаляються досить легко у вигляді вуглекислих солей ; видалення натрію відбувається значно легше , так як частина калію може затримуватися в складі серициту, тимчасово накопичується як проміжний продукт вивітрювання. Магній виноситься помітно повільніше кальцію , так як він більш схильний давати проміжні продукти вивітрювання у вигляді хлоритів , змійовика і тальку , тимчасово накопичуються в елювії .

Кремнезем при вивітрюванні силікатів зазвичай виділяється з них і або несеться розчинами , або випадає з них у вигляді вторинного кремнезему , накопичуючись в залишкових продуктах вивітрювання. Видалення кремнезему з каоліну відбувається з досить важко.

Алюміній з усіх металів , що входять до складу силікатів , є  найменш рухливим. Він лише в незначній кількості надходить в розчини, а в основному накопичується в залишкових продуктах вивітрювання. Коли вивітрювання проходить найбільш повно, тобто доходить до стадії латеритів, в залишкових продуктах накопичуються тільки гідроокису алюмінію і заліза і вільний кремнезем (кварц). Склад продуктів вивітрювання в будь-який момент залежить не тільки від первісного складу породи, а й від того, в якій фазі знаходяться продукти вивітрювання, тобто наскільки далеко зайшов цей процес.

Продукти вивітрювання

У процесі гіпергенезу продукти руйнування гірських порід під впливом води, вітру, сили гравітації переміщуються на певну відстань, або ж залишаються на місці зруйнованих порід. Ті з них, що залягають на місці свого утворення називаються елювієм (від лат. єіи у іо - виливати). Характерними ознаками елювію є крупнозернистість і щебенистість складу, що зростає до низу, невелика потужність і поступовий перехід до невивітрених шарів. Продукти вивітрювання, зсунуті вниз під дією ваги і відкладені біля підніжжя схилу, називають колювієм (від лат. соїіиуіо - скуп чення). Колювіальні відклади нагромаджують переважно за раху нок осипів та обвалів на крутих ехшіах у вигляді необкатаних та  
невідсортованих за розмірами уламків. В гірських районах на схи лах, в улоговинах часто утворюються гігантські скупчення уламків порід, різних за розміром і формою. Це т. зв. кам’ ні ріки, або куя руми. Матеріал, знесений і відкладений по схилу та біля підніжжя до щовими і талими водами, називається делювієм (від лат. deluo змиваю). Делювіальним породам характерна деяка розсортованісгь матеріалу і чітка шаруватість, зазвичай паралельна схилу. Склад делювію різноманітний, він значно залежить від характеру порід, що виходять на денну поверхню високих елементів рельєфу. Делювіальні плащі покривають нижні частини вододільних схилів, високі тераси річкових долин. У багатьох випадках буває важко розрізнити елювіальні і делювіальні відклади, тоді їх об’єднують у групи елювіально-делювіальних утворень. На делювії, як і на мате ринських породах, може сформуватись елювій, а з останнього ґрунти. Пролювій формується у результаті діяльності потужних, але короткочасних потоків талих і зливових вод (селеві потоки). Переважають тут слабо відсортовані продукти вивітрювання, включа ючи грубий уламковий матеріал. Найбільше поширення пролювій має у гірських країнах. Сукупність залишкових продуктів вивітрювання (елювію) та продуктів їх перетворення називають корою вивітрювання. Склад та потужність кори вивітрювання залежить від кліматичних умов (поєднання температури та вологості), надходження органічних речовин, рельєфу, особливостей материнської породи, тривалості процесів вивітрювання тощо. Найбільш сприятливими для формування потужних кор вивітрювання є відносно вирівняний рельєф, поєднання високих темпе ратур і вологості та великої кількості органічної речовини. Найпотужніша кора (до 100 м і більше) формується у вологих тропічних лісах та субтропіках, яка через червоне забарвлення верхнього шару отримала назву латеритної(від лат. later - цегла). Латеритна кора вивітрювання поширена на великих територіях в Африці, Південній Америці, Австралії. У тайгово-підзолистій зоні із-за зниження температури та вологості формується каолінова кора вивітрювання набагато меншої потужності. Проте й тут, як і у латеритній зоні, помітна вертикаль на зональність, яка закінчується верхнім каоліновим горизонтом. В умовах степів та саван потужність кори  вивітрювання ще менша. Через сезонність і нестачу опадів вимивання і винесення розчинених продуктів вивітрювання (карбонатів, сульфатів) не відбу вається, а тому вони залишаються у товщі елювію. За цієї ж причи ни слабо протікає процес гідролізу силікатів і алюмосилікатів. У результаті кора вивітрювання тут складається із малопотужної дресви (не обкатані зерна та уламки гірських порід і мінералів) та по верхневого гідрослюдисто-монтморилонітово-бейделітового го ризонту.