Геологические процессы. Выветривание План лекции n n

Геологические процессы. Выветривание

План лекции n n n Источники энергии геологических процессов и геологический круговорот. Физическое выветривание Химическое выветривание Биологическое выветривание Кора выветривания

Геологический круговорот

ВЫВЕТРИВАНИЕ — совокупность физических, химических и биохимических процессов разрушения и превращения горных пород: магматических, осадочных или метаморфических, а также слагающих их минералов в приповерхностной части земной коры под влиянием механического и химического воздействия атмосферы, грунтовых и поверхностных вод и живых организмов, а также удаления части продуктов этого разрушения. Процессы выветривания приводят к механическому разрушению и химическому разложению пород и минералов

АГЕНТАМИ ВЫВЕТРИВАНИЯ являются: вода и ветер, колебания температуры вблизи поверхности, кислород и углекислота воздуха, а также жизнедеятельность организмов ИНТЕНСИВНОСТЬ ВЫВЕТРИВАНИЯ зависит от климата, рельефа местности, химического состава пород и минералов

Различают физическое, химическое и биологическое выветривание

ВЫВЕТРИВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ — выветривание, ведущее к механическому распаду горной породы, проявляемого, в частности, в дезинтеграции и десквамации последней

n Обломки горной породы

ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ (от дез + лат. integer – целый) — (в почвоведении) физическое дробление, физическое выветривание минеральной части почв ДЕСКВАМАЦИЯ (от лат. desquamare — снимать чешую) — (в геологии) отслаивание вещества горных пород чешуйками под влиянием резких колебаний температуры

Во время физического выветривания наибольшее значение имеет температурное выветривание, которое связано с суточными и сезонными колебаниями температуры, что вызывает то нагревание, то охлаждение поверхностной части горных пород

Вследствие резкого различия теплопроводности, коэффициентов теплового расширения и сжатия, а также анизотропии тепловых свойств минералов, слагающих горные породы, возникают определенные напряжения Появление внутренних термонапряжений за счёт различного теплового расширения отдельных минералов и, соответственно, пород приводит к появлению термоупругих трещин

Температурное выветривание ярче всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где велики перепады дневных и ночных температур, достигающие 50°С

Морозное выветривание свойственно полярным и субполярным областям, а также высокогорьям, для которых характерны развалы обломков горных пород

ВЫВЕТРИВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЕ — выветривание, при котором изменяется химический состав горной породы с образованием минералов более стойких в условиях земной поверхности Химическое выветривание горных пород осуществляется под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот Химические выветривание представлено несколькими основными типами процессами: растворением, гидратацией, гидролизом, карбонатизацией, окислением

Химическое выветривание

Растворение твердых тел – гетерогенное физикохимическое взаимодействие твердого тела и жидкости, сопровождающееся переходом твердой фазы в раствор

Растворение — переход молекул вещества из одной фазы в другую (раствор, растворенное состояние) Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физические свойства раствора (например, плотность, вязкость, иногда цвет, и другие) меняются

Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя Схема процесса растворения в воде кристалла поваренной соли. а – отрицательно заряженные ионы хлора (в углах кристаллической решетки) притягивают положительно заряженные части полярной молекулы воды, а положительно заряженные ионы натрия — отрицательно заряженные части молекулы воды; б – образование вокруг находящихся в растворе ионов натрия и хлора гидратной оболочки из полярных молекул воды

Растворение горных пород связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na+, K+, Mg 2+, Ca 2+, Cl–, SO 42–, HCO 3–. Особенно существенны ионы водорода (Н+), гидроксильный ион (ОН–)

Примеры растворения минералов Шеелит Дымчатый кварц Топаз

Примеры растворения горных пород (гранита)

Гидратация – присоединение воды к молекулам, атомам или ионам. Оторванные от кристалла заряженные ионы окружаются молекулами воды и образуют вокруг иона твердого вещества гидратную оболочку. Иногда она сохраняется даже в том случае, когда твердое вещество выпадает из насыщенного раствора в осадок. Например, выпадающий из раствора при его пересыщении сульфат кальция (Ca[SO 4]) захватывает воду (называемую кристаллизационной) и становится гипсом (Са [SO 4]· 2 Н 2 О). Процесс может идти и в обратную сторону. Аналогичное происходит и с гематитом (железным блеском Fe 2 О 3), переходящим при гидратации в лимонит (бурый железняк HFe. О 2·n. H 2 О, где n достигает 4) и т. п.

Примеры гидратации Fe 2 O 3 + n. Н 2 O гематит Fe 2 О 3·n. Н 2 О гидрогематит → Fe. OOH гётит Fe. SO 4 + 7 H 2 O Fe. SO 4· 7 H 2 O сульфат железа меланотерит (железный закисного купорос) Cu. SO 4 + 7 H 2 O сульфат меди Cu. SO 4· 7 H 2 O бутит

Гидролиз – реакция ионного обмена между различными веществами (в т. ч. минералами) и водой В результате гидролиза алюмосиликатов, в частности полевых шпатов, происходит образование глинистых минералов, например, каолинита 4 К[Al. Si 3 O 8] + 4 H 2 O + 2 CO 2 Al 4[Si 4 O 10](OH)8 + 2 K 2 CO 3 + 8 Si. O 2 Ортоклаз 2 Ca[Al 2 Si 2 O 8] + 4 H 2 O + 2 CO 2 Плагиоклаз Каолинит Поташ Кварц Al 4[Si 4 O 10](OH)8 + 2 Ca. CO 3 Каолинит Трансформация полевых шпатов в каолинит называется каолинитизацией Кальцит

В условиях жаркого климата возможно преобразование каолинита в гидроксиды алюминия и кремния — боксит и опал Al 4[Si 4 O 10](OH)8 Каолинит 2 Al 2 O 3·n. H 2 O + 4 Si. O 2·n. H 2 O Боксит Опал Гидролизное разрушение каолинита на боксит и опал называется латеритным выветриванием.

Гидролиз минералов может сопровождаться образованием карбонатов 4 Mg 2[Si. O 4] + 4 H 2 O +2 CO 2 оливин Mg 6[Si 4 O 10](OH)8 + 2 Mg[CO 3] серпентин магнезит Образование карбонатов при гидролизе называется карбонатизацией.

Окисление (при наличии свободного кислорода) 4 Fe 3 O 4 + O 2 Магнетит Fe. S 2 + 3 O 2 + 2 H 2 O Пирит (серный колчедан) Cu. Fe. S 2 + Халькопирит (медный колчедан) 6 Fe 2 O 3 Гематит Fe. SO 4 + H 2 SO 4 Сульфат Серная железа кислота закисного 2 Fe 2(SO 4)3 5 Fe. SO 4 + Cu. SO 4 + S Сульфат Сера железа меди окисного закисного

ВЫВЕТРИВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ — трансформация горной породы под влиянием жизнедеятельности организмов По воздействию на горные породы и минералы может быть механическим (физическим) и химическим

Живые организмы могут участвовать в различных окислительно-восстановительных реакциях Fe 2 O 3·n. H 2 O + [С] Гидроксиды железа Fе[СО 3] Сидерит 4 Fe. SO 4 + O 2 + 2 H 2 SO 4 2 Fe 2(SO 4)3 + 2 H 2 O Thiobacillus ferrooxidans Ca. SO 4 + 2[C] + H 2 O H 2 S + CO 2 + Ca. CO 3 Desulfovibrio desulfuricans 2 H 2 S + O 2 2 H 2 O + 2 S Thiobacillus thioparus 2 S + 2 H 2 O + 3 O 2 2 H 2 SO 4 Thiobacillus thiooxidans

Б. Б. Полыновым и П. И. Гинзбургом были выделены четыре стадии процесса выветривания магматических пород n n обломочная, в которой гипергенное преобразование сводится к дроблению, механическому разрушению породы до обломочного материала; сиаллитная (термин происходит от сочетания Si и А 1), когда происходит извлечение щелочных и щелочноземельных элементов, главным образом Са и Na, которые образуют пленки и конкреции кальцита, поэтому эта стадия называется также обызвесткованной;

Стадии процесса выветривания n n кислая сиаллитная, в которой происходят глубокие изменения кристаллохимической структуры силикатов с образованием глинистых минералов (монтмориллонита, нонтронита, каолинита); аллитная (термин происходит от сочетания Si и Al), когда кора выветривания обогащается оксидами железа, а при наличии определенного состава исходных пород — оксидами алюминия

Схема полного профиля коры выветривания в тропической лесной области: 1 – неизменённая порода, 2 – дезинтегрированная зона, 3 – гидрослюдисто монтмориллонитово бейделитовая зона, 4 – каолинитовая зона, 5 – гиббсит-гематит гётитовая зона

Кора выветривания — верхний слой земной коры, состоящий из рыхлых продуктов, образовавшихся в результате выветривания, почвообразования и переотложения горных пород Общий процесс формирования кор выветривания весьма сложен, зависит от сочетания многих факторов и представляет собой несколько взаимосвязанных явлений: 1) разрушение и химическое разложение горных пород с образованием продуктов выветривания; 2) частичный вынос и перераспределение продуктов выветривания; 3) синтез новых минералов в результате взаимодействия продуктов выветривания в ходе их миграции; 4) метасоматическое замещение минералов материнских пород (метаморфическое с изменением химического состава)

Процессы выветривания всегда в той или иной мере предшествуют и зачастую одновременно протекают с процессами почвообразования