Министерство образования РФ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

Геологический факультет

Кафедра общей геологии

Процессы выветривания горных пород

Выполнила: студентка 1 курса

141 группы

Давыденко Ксения

Научный руководитель: профессор

Рихтер Яков Андреевич

Саратов - 2009

Оглавление

Введение

1. Физическое выветривание

2. Химическое выветривание

3. Биогенное выветривание

4. Продукты выветривания

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Экзогенные процессы начинаются с подготовки горных пород к переносу, с их разрушения. Горные породы, залегающие на поверхности или близ нее, подвергаются воздействию солнечных лучей, воды, воздуха, организмов. Из-за неравномерного нагревания порода растрескивается; особенно способствует этому замерзание воды, попавшей в трещины. Вода — хороший растворитель для многих веществ, и в верхних слоях горных пород, особенно при высокой температуре, происходят, обычно с участием атмосферного воздуха, химические реакции окисления, замещения, реже — восстановления. Корни растений способствуют расширению щелей между частицами породы и проникновению туда воды и воздуха, а вещества, выделяемые животными и растениями, участвуют в химических реакциях. Все эти процессы разрушения и изменения приповерхностных пород называются выветриванием. Выветривание можно охарактеризовать двумя способами:

1) выветривание — это совокупность сложных процессов качественного и количественного преобразования горных пород и слагающих их минералов, приводящий к образованию почвы;

2) выветривание — это разрушение пород на земной поверхности и их превращение в продукты, которые являются более устойчивыми в новых физико-химических условиях.

Я бы хотела рассмотреть второй вариант.

Горные породы, слагающие земную кору, подвергаются денудации в результате их предварительного выветривания. Этот процесс приводит к появлению рыхлых (дисперсных) новообразований зоны гипергенеза, существенно отличных по своим физическим свойствам от исходных коренных пород.

Многие породы первоначально образовывались при высоких давлениях и температурах и при отсутствии воды и воздуха. Продукты выветривания могут сильно различаться по составу, и даже те из них, которые при одних условиях являются устойчивыми, при изменении условий могут стать неустойчивыми.

Ученые выделили четыре стадии выветривания, характеризующие единый протекающий во времени непрерывный процесс гипергенеза. Гипергенез — это процесс химического и физического преобразования минерального вещества в верхней части земной коры и на ее поверхности под воздействием атмосферы, гидросферы и живых организмов при низких температурах. [1, стр.16]

Первая стадия выветривания характеризуется преобладающей ролью физических факторов выветривания с образованием крупнообломочных и мелкозернистых продуктов механического распада массивных горных пород. В условиях сурового климата и активной денудации современное выветривание нередко ограничивается этой первой стадией.

Вторая стадия характеризуется щелочной реакцией среды за счет извлечения в раствор оснований при гидролизе минералов. На этой стадии образуются вторичные минералы в результате окисления, гидратации, гидролиза и карбонатизации первичных минералов. Среди вторичных алюмосиликатов на этой стадии преобладают минералы группы монтмориллонита и нонтронита. При относительном избытке в породах кальция в продуктах выветривания происходит накопление карбоната кальция, нередко образующего корку на обломках массивных пород. Ученые именует эту стадию “обызвесткованной” или насыщенной сиаллитной корой выветривания”. Наибольшее распространение она имеет в условиях умеренного климата при выветривании изверженных и метаморфических пород. В горных районах современные рыхлые образования на склонах часто относятся именно к этому типу.

Третья стадия остаточной ненасыщенной сиаллитной коры выветривания. Она характеризуется дальнейшим выносом из продуктов выветривания щелочных и щелочноземельных элементов, вследствие чего реакция среды становится кислой. В этой обстановке среди вторичных алюмосиликатов преобладают галлуазит и каолинит. Развитие этой стадии выветривания имеет место в условиях замедленной денудации и относительно более обильного увлажнения.

В четвертой стадии образуется остаточная аллитная кора выветривания, характеризуемая накоплением окислов кремния, железа и алюминия. Развитие ее определяется сочетанием активного химического выветривания с замедленной денудацией в условиях жаркого и влажного климата.

Термин “выветривание” не отражает всей сложности процесса, тем более что ветер в данном процессе не играет вообще никакой роли. Но при этом, данное определение широ ко распространено в геологической, географичес кой, почвенной литературе. «Выветривание» — неудачно трансформированное на русский язык немецкое слово dieVerwitterung, которое в свою очередь происходит от слова dasWetter. В переводе на русский язык это слово означает погода, а вовсе не ветер. В качестве синонима употребляется термин “гипергенез” , введенный в 1922г. А.Е. Ферсманом. Многие ученые так и считают, что термин «гипергенез» более правильный и в своих работах используют именно его.

В едином и сложном процессе выветривания условно выделяются две основные взаимосвязанные форм ы:

1) физи ческое выветривание;

2) химическое выветривание.

Иногда в ыд еляют еще органическое выветривание или биогенное выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводятся или к механическому разрушению, или химическому разложению. Следовательно, о рган ичес кое выветривание включается в условно выделенные две формы единого процес са.

1. Физическое выветривание

Физическое выветривание — это механическое измельчение горных пород без изменения их химического строения и состава. Оно начинается на поверхности горных пород, в местах контакта с внешней средой, и его действие проявляется в механическом разрушении коренных горных пород под воздействием солнечной энергии, атмосферы и воды.

Физическое выветривание вызывается разнообразными фак торами. В зависимости от природы воздействующего фактора х арактер разрушения горных пород при физическом выветривании различен. В одних случаях процесс разрушения происходит внутри самой горной породы без участия внешнего м еханически д ействующего агента. Сюда относится изменение о бъема составн ых частей породы, вызываемое колебанием температуры. Такое явление может быть названо температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздейс твием посторонних агентов. Такой процесс м ожет быть условно назван механическим выветриванием. [2, стр.21-35]

Температурное выветривание происходит под воздействием суточных и сезонных колебаний температуры, вызывающих неравномерное нагревание и охлаждение горных пород. При этом минеральные зерна, слагающие горные породы, испытывают то расширение, при повышении температуры, то сжатие, при ее понижении. Таким образом, в горных породах попеременно возникают сжимающие и растягивающие усилия. Расширение и сжатие пород более и нтенсивно сказываются в самой приповерхностной части пород. Наибольшему разруш ению в результате темп ературного выветривания подвержены полиминеральные горные породы, так ие, к ак граниты, габбро, гнейсы и др. Различные минералы, из которых состоят так ие породы, обладают неодинаковым коэффициентом объемного расширения, поэтому при изменении температуры они испытывают деформации в различной степени. К тому же коэффицие нт линейного расширения даже у одного и того же минерала меняется в зависимости от направления в кристалле (проявление анизотро пии).

В результате дли тельного воздействия колебаний температуры и различных коэффициентов расширения минералов взаимное сцепление отдельных минеральных зерен в горной породе нарушается, она растрескивается и распадается на отдельные обломки. На интенсивность температурного выветривания влияют также окраска горной породы и размеры слагающих ее минеральных зерен. Известно, что под влиянием солнечных лучей (инсоляции) значительно сильней нагреваются темноцветные минералы. Вследствие этого быстрее разрушаются темноокрашенные, а также, крупнозернистые горные породы.

Температурное выветривание наиболее интенсивно протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных, сухостью воздуха и отсутствием или слаб ым разви тием растительного покрова, смягчающего температурное воздействие на почвы и горные породы. Особенно интенсивно температурное выветривание в пустынях, где количество выпадающих атмосферных осадков не превышает 200—250 мм/год, малая облачность, суточные колебания температуры нередко достигают 40—50С, очень большой дефицит влажности. Относительная влажность летом может снижаться до 10%, а иногда и ниже. В этих условиях горные породы под дейс твием солнечных лучей сильно нагреваются до температур, значительно превышающих температу ру воздуха (особенно темноцветные минералы), ночью же сильно охлаждаются. Именно в пустынях особенно ярко выражен процесс шелушения, или десквамации, при котором от поверхности горных пород отслаиваются чешуи или толстые пластины, параллельные поверхности породы.

Темп ературное выветривание интенсивно протекает также на вершинах и склонах гор, не пок рытых снегом и льдом, г де воздух прозрачнее и инсоляция значительно сильнее, чем в прилежащих низменностях. В ряде случаев температура воздуха днем здесь может достигать +20 - +30° С, а ночью падает почти до точки замерзания. [2, стр.40-47] стр.

Результат морозного выветривания

Механическое выветривание происходит под механическим воздействием п осторонних агентов. Осо бенно большое разрушительное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме на 9—10%, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород н а разрыв, и они рас калываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное рас клинивающее действие производит замерзающая вода в трещинах горных пород. Но под влиянием замерзающей воды легко дробятся и породы с высокой пористостью, в которых поровое простран ство занимает около 10—30% объема (песчаники и другие осадочные породы). Процессы, связанные с воздействием периодически замерзающей воды, часто называют морозным выветриванием. Оно наблюдается в высоких полярных и субполярных широтах, а также в горных районах выше снеговой линии, где в ряде случаев проявляется и температурное выветривание.

Такое же механическое воздействие на горные породы оказывают корневая система деревьев и роющие животные. По мере разрастания деревьев увеличиваются в размерах их корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Часть таких глыб выталкивается вверх. Механическое воздействие оказывают и различные роющие животные, таки е, как земляные черви, муравьи, грызуны и др.

Дезинтеграцию пород вызывает так же рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании к апиллярная вода подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещи ны расширяются, что и приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению. [2, стр.61-64]

Следы физического выветривания

2. Химическое выветривание

Химическое выветривание — это совокупность различных химических процессов, в результате которых происходит дальнейшее разрушение горных пород и качественного изменения их химического состава с образованием новых минералов и соединений.

Разрушению горных пород под влиянием физичес кого выветривания всегда в той или иной степени со путствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязь различных форм единого процес са выветривания. Физическая дезинтеграция резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания — вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы ( Н⁺ ) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН^- ). Это о пределяет ее возм ожность вступать в реакцию с кристаллическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания.

Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда в водном растворе присутствуют кислород, углекислота и органические кислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повышают диссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно в тропических и субтропических зонах, где имеет место сочетание большой влажности, высо кой температуры, пышной растительности и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате чего значительно возрастает концентрация углекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Химическое воздействие на горные породы оказывают находящиеся в воде растворенные ион ы, так ие, как НСО₃ ^— . SO^-4 , С1^-, Са⁺ , Mg⁺ , N a⁺ , К⁺ . Эти ионы также могут замещать заряженные атомы в кристаллах или взаимодействовать с ними, что может приводить к нарушению первичной кристаллической структуры ми нералов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении, гидролизе.

Окисление . Процессы окисления наиболее интенсивно проте кают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Направленность этого процесса можно схематически изобразить следующим образом:

F eS₂ + nO₂ + mH₂ О ®FeSO₄ ®Fe₂ (SO₄ )₃ ®Fe₂ O₃ - nH₂ О

железняк пирит сульфат сульфат (лимонит) закиси окиси железа

На первой стадии получаются сульфат закиси железа и серная кислота. Наличие серной кислоты значительно усиливает интенсивность выветривания, способствует дальнейшему разложению минералов. На второй стадии сульфат закиси железа переходит в сульфат окиси железа. Последний в свою очередь о казывается неустойчивым и под действием кислорода и воды - переходит в водную окись железа — бурый железняк. Бурый железняк фактически представляет собой сложный минеральный агрегат близких по составу минералов гётита ( FeO·OH) и гидрогётита ( FeO·OH·nH₂ O). На поверхности ряда месторождений сульф идных руд и других железосодержащих минералов наблюдается “бурожелезняковая шляпа”, возникшая в результате одновременных окисления и гидратации. М естами при недостаточном количестве влаги образуются бедная водой окись железа, гидрогематит ( Fe₂ O₃ ·H₂ O). В результате процессов окисления магнетит переходит в гематит, как это имеет место в районе КМ А. Гематит образуется и при окислении таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы, под действием воды, кислорода и углекислоты. Направленность реакции с ледующая:

(Mg , Fe)₂ [SiO₄ ] ® Fe₂ O₃ + n Mg(HCO₃ )₂ + m H₄ SiO₄ .

оливин гематит бикарбонат растворимый натрия кремнекислота

Дальнейший процесс окисления и гидратации может привести к образованию гидроокислов железа (Fе₂ O₃ ·nН₂ O).

Гидратация — это процесс, заключающийся в присоедине нии воды к первичным минералам горных пород и образовании новых минералов. Можно привести следующие примеры ги дратации:

1. Переход ангидрита в гипс по реакции

СаSO₄ +2H₂ O ÛCaSO₄ - 2H₂ O(реакция обратима при изменении условий)

2. Переход гематита в гидроокислы железа:

Fе₂ О₃ +nН₂ ОÛFе₂ О₃ ·nН₂ О

При гидратации объем породы увеличивается и покрывающие отложения деформируются.

Растворение. Под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходит растворение горных пород. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных горных породах — хлоридных, сульфатных и карб онатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды: соли натрия, калия и др. За хлоридами по степени раство римости стоят сульфаты, в частности ги пс, за которыми следуют карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели. В результате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод на п оверхности растворимых пород образуются карстовые формы рельефа.

Гидролиз. Сложный процесс гидролиза особенно большое зна чени е имеет при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключается в разложении минералов, выносе отдельных элементов, а также в присоединении гидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичная кристаллическая структура минерала нарушается и перестраивается и может оказаться полностью разрушенной и заменена новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным гипер генным минералам. В ряде случаев гипергенное преобразование силикатов и алюмосиликатов под влиянием воды, углекислоты и органических кислот п ротекает стадийно с образованием различных глинистых минералов. В качестве примера можно привести схему разложения полевых шп атов (полевой шпат ®промежуточный минерал®каолинит):

K [AlSi₃ O₈ ] ® (К, Н₂ О) А1₂ (ОН)₂ [ A1Si₃ O₁₀ ]·nH₂ 0 ®A1₄ (ОН)₈ [ A1Si₃ O₁₀ ] ортоклаз гидрослюда каолинит

При образовании из полевых шпатов каолинита происходит несколько превращений и реакций:

1. Все катионы К, Na ,Са при взаимодействии с углекислотой об разуют истинные растворы карбонатов (СаСО₃ , Na₂ CО₃ , К₂ СОз) и бикарбонатов. В условиях влажного и теплого климата карбонаты выносятся за пределы; места их образования. В условиях сухого климата и недостатка влаги карбонаты остаются на месте, образуя твердую корку, или выпадают из раствора на некоторой глубине от поверхности. Такой процесс образования карбонатов называется карбонатизацией.

2. Каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, свойственную каолиниту и другим глинистым минералам.

3. Часть растворенного кремнезема выносится водой, что подтверждается наличием в твердом стоке речных вод в среднею около 11% SiO₂ . Значительная часть выносимого кремнезема быстро переходит в коллоидальное состояние и выпадает в виде аморфного гидратированного осадка SiO₂ · nН₂ O, который при высыхании и частичной потере воды превращается в опал. Часть SiO₂ остается прочно связанной в каолините.

4. Присоединение гидроксильных ионов в каолините. В результате выветривания магматических и метаморфических горных . пород, богатых алюмосиликатами (гранитов, гранодиоритов, гнейсов и др.), образуются месторождения каолина. Каолинит в условиях земной поверхности достаточно устойчивый минерал. Но при благоприятных условиях — высокой температуре, большом количестве атмосферных осадков и огромном растительном отпаде—про исходит дальнейшее разложение и образуются наиболее устойчивые соединения — гидроокислы алюминия, такие, как гиббсит, или гидраргиллят, А10(ОН)з—один из рудоносных минералов основной алюминиевой руды — бо ксита. Иног да гидроокислы алюминия распространены в виде пятен в каолинитах.

При выветривании полиминеральных горных пород наряду с гидроокислами алюминия на конечных стадиях образуются гидроокислы железа, иногда марганца, титана. Наибольшая интенсивность химического выветривания проявляется в железисто-магнезиальных минералах (оливин, пироксены, амфиболы) и основных плагиоклазах. [1, стр.17-23]

Следы химического выветривания

физический химический биогенный выветривание

3. Биогенное выветривание

Биогенное выветривание , или биологическое связано с активным воздействием на горные породы растительных и животных организмов. В сложных процессах химического разложения минералов и горных пород велика роль биосферы. Биогеохимическое воздействие на горные породы начинается уже с первых п оселенцев на скальных поверхностях горных пород — различных микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате такого воздействия на скальной поверхности породы после их отмирания появляются углубления, заполненные сухим органическим веществом (би омасса микробных и других тел). Все это подготавливает условия для последующего заселения скал высшими растениями и сопутствующей им фауной. Роль организмов в химическом выветривании определяется тем, что они поглощают из разрушаемой поро ды химичес кие элементы в соответствии со своими биологическими потреб ностями (как питатель ные вещества). К числу таких эле ментов относятся Р, S, С1, К, Са, Mg ,Na ,Sr , В, в меньшей степени Si и Al ,Fe и др.

Даже на самой гладкой скале селятся лишайники. Ветер заносит их мельчайшие споры в самые тонкие трещины или прилепляет к мокрой от дождя поверхности, и они прорастают, плотно прикрепляясь к камню, вытягивают из него вместе с влагой соли, нужные


29-04-2015, 00:57