Процессы разрушения пород питающей провинции

14.12.2016

Изверженные, метаморфические и многие осадочные горные породы, сформированные в определенных физико-химических обстановках, в условиях земной поверхности, резко отличающихся от условий их образования, оказываются неустойчивыми и подвергаются процессам разрушения. Совокупность этих процессов получила название выветривания.
Процессы выветривания управляются многими факторами. Главнейшими из них являются: характер исходных пород и химическая обстановка среды, определяющие направление процесса выветривания. Важное значение имеют также климатические условия, геоморфологическая обстановка и длительность выветривания, определяющие интенсивность процессов, их масштаб, конечные результаты и сохранность продуктов выветривания.
В едином процессе изменения горных пород в условиях земной поверхности принято различать две его формы: физическое выветривание, выражающееся в дезинтеграции пород, и химическое выветривание, приводящее к более или менее глубокому изменению их химического и вещественного состава. Оба эти процесса взаимосвязаны, протекают одновременно, но управляются различными факторами, интенсивность проявления которых различна на разных этапах выветривания. С известным приближением к действительности обе эти формы выветривания можно рассматривать как две последовательные стадии единого процесса разрушения горных пород: физическое выветривание, измельчая породу, как бы подготавливает материал для более глубокого химического изменения самого вещества породы.
Физическое выветривание. Процессы физического выветривания направлены на механическое разрушение горных пород — их измельчение. Агентами физического выветривания являются колебания температуры, расклинивающее действие воды в капиллярных трещинах горных пород, разрывная сила льда и минеральных солей, кристаллизующихся в трещинах, разрушающее действие корней растений и др.
По результатам своей деятельности к агентам физического выветривания должны быть также отнесены речные потоки, ледники, ветер, горные обвалы, морской прибой, вулканические взрывы, тектонические движения коры, совершающие огромную работу механического разрушения горных пород.
Особую роль в процессах физического выветривания играют суточные колебания температуры.
Большинство минералов, слагающих горные породы, имеет неодинаковые коэффициенты объемного расширения и, кроме того, разные коэффициенты термического расширения по различным кристаллографическим направлениям. Периодически нагреваясь и охлаждаясь, минeральные зерна в породе оказывают друг на друга сильное и неравномерное давление. Неравномерность его увеличивается неодинаковой теплоемкостью минералов и неодинаковым нагреванием различно окрашенных зерен, создающими дополнительные температурные контрасты в поверхностном слое породы. Вследствие низкой теплопроводности поверхностная оболочка, непосредственно подвергающаяся инсоляции, расширяется (при охлаждении — сжимается) несравненно быстрее, чем глубже расположенные участки породы.
Все эти явления приводят к тому, что силы сцепления между частицами породы ослабевают, возникает система трещин, следующих направлениям текстурной неоднородности или первичной трещиноватости пород. Первоначально прочные породы распадаются по трещинам отдельности на отдельные блоки, глыбы, крупные и мелкие куски и в конечном итоге разрушаются в дресву и песок; минеральные зерна высвобождаются и подвергаются дальнейшему измельчению.
Наиболее быстро процесс дезинтеграции протекает в крупнозернистых породах, особенно в магматических, где отсутствует связующая мелкозернистая масса цемента, характерная для ряда метаморфических и осадочных пород и играющая роль своеобразного амортизатора при межгранулярных напряжениях.
Особенно энергично разрушение и дезинтеграция горных пород протекают в районах с резко континентальным климатом, и зоны каменных пустынь (как в высоких, так и в низких широтах) с их мощными накоплениями щебня и песка у подножий скал представляют убедительные доказательства интенсивности процессов физического выветривания.
По мере измельчения частиц породы скорость процессов дезинтеграции уменьшается. На поверхности подвергающихся выветриванию пород постепенно формируется плащ рыхлых накоплений, предохраняющий породы от дальнейшего разрушения. Этот покров, носящий название элювия, имеет различный механический состав, зависящий от характера материнских пород, форм рельефа, интенсивности и длительности процессов физического выветривания.
Элювий кварцитов и песчаников имеет обычно щебнево-песчаный состав; элювий гранитов и большинства других, изверженных пород — дресвяно-щебневый, элювий различного рода филлитов и сланцев — щебнево-алеврито-глинистый.
Зерна отдельных минералов, в особенности прочных и тяжелых акцессорных минералов, частично или полностью высвобождаются в процессе механического измельчения породы и накапливаются в элювиальном покрове. В районах с резко континентальным и сухим климатом вещественный состав элювия сравнительно мало отличается от состава материнских пород и может изменяться лишь в результате последующей переработки массы элювия под действием ветра, атмосферных вод и других факторов.
В условиях влажного климата, особенно влажного и теплого, выветривание пород не ограничивается стадией механической дезинтеграции, но сопровождается более или менее глубоким изменением химического состава элювиальных образований.
Химическое выветривание. По мере увеличения дисперсности элювиального материала резко возрастают суммарная поверхность частиц и способность их взаимодействовать с различными химическими реагентами среды выветривания. Процессы химического выветривания, в начальные стадии разрушения горных пород игравшие подчиненную роль, становятся преобладающими.
Агентами химического выветривания являются свободные кислород и углекислота атмосферы и особенно поверхностные почвенные и грунтовые воды, обогащенные растворенными в них кислородом, углекислотой, различными солями, иногда свободными минеральными кислотами, образующимися при окислении сульфидов, разрушении галоидосодержащих силикатов и других соединений. Немаловажную роль в этих процессах играют и органические соединения и кислоты, выделяемые корневой системой растений и микроорганизмами в процессах материального обмена с веществом почвы, а также гуминовые кислоты, возникающие в результате сложных биохимических процессов почвообразования.
Слабые водные растворы активно воздействуют на массу элювия, растворяют минеральные частицы и вступают с ними в химические реакции. Интенсивность этого воздействия тем больше, чем больше дезинтегрирована порода и чем больше поверхность соприкосновения вещества с раствором. Вторым фактором, интенсифицирующим или замедляющим химические процессы в коре выветривания, является климатический. Наиболее благоприятными для развития процессов химического выветривания являются области с влажным, теплым или жарким климатом и обильной растительностью и неблагоприятны — зоны засушливого и холодного климата.
Известное влияние на интенсивность и масштаб процессов химического выветривания оказывает также геоморфологическая обстановка, в частности, степень расчлененности рельефа. Последняя определяет глубину проникновения поверхностных вод — главных агентов выветривания, а также скорость перемещения их в массе элювия. Кора выветривания обычно получает площадное развитие в районах пенепленизированных, с выровненным рельефом, в условиях медленной фильтрации и длительного соприкосновения растворов с веществом элювия Благодаря стабильности форм рельефа и малой интенсивности денудационных процессов эти же районы наиболее благоприятны для консервации покровных образований коры выветривания, накапливающихся в течение длительных отрезков времени.
Процессы химическою выветривания являются достаточно сложными, но в конечном итоге сводятся к окислению первичных минералов, их гидратации, разложению и карбонатизации, с образованием новых соединений, более устойчивых в условиях коры выветривания. Часть возникающих при этом соединений является хорошо растворимой и выщелачивается из коры выветривания; другие соединения, особенно окислы, гидроокислы и вторичные водные силикаты, труднорастворимы и накапливаются в ней.
Особо важною роль в рассматриваемых явлениях играют процессы окисления и карбонатизации. При низких температурах и давлении, господствующих в зоне выветривания, углекислота является более энергичным химическим агентом по сравнению с кремнекислотой. В этих условиях она разлагает силикаты, отнимая катионы и образуя карбонаты. При этом в первую очередь извлекаются такие крупные, малозарядные и сравнительно легко гидратируемые катионы, как K+1, Na+2, Ca+2, менее Mg+2. Они образуют хорошо растворимые карбонаты и бикарбонаты и в этой форме, а также в виде других растворимых соединений частично или полностью выносятся из коры выветривания. Вместе с ними в начальные стадии химического выветривания выносятся галоиды и сера.
Магний, входивший в состав различных силикатов горных пород, в процессе выветривания вначале образует вторичные водные кремнекислые соединения типа гидрохлоритов, сапонита, монтмориллонита и др., а впоследствии переходит в бикарбонаты и карбонаты. Частично образующиеся при этом карбонаты закиси железа окисляются и затем гидролизуются, переходя в труднорастворимые гидроокислы железа, накапливающиеся в коре выветривания. Накапливается в ней также алюминий, первоначально в виде вторичных листовых силикатов типа гидрослюд, каолина, беиделлита, монтмориллонита, галлуазита и др., а при далеко продвинувшихся процессах выветривания — в виде практически нерастворимых гидроокислов.
Кварц горных пород является одним из наиболее устойчивых минералов и накапливается в коре выветривания, но кремнезем, высвобождающийся при разложении различных силикатов и алюмосиликатов, частично образует вместе с Na и другими щелочами легко гидратируемые и растворимые комплексы.
Следует особо отметить, что большинство остаточных продуктов химического выветривания — кремнезем, гидроокислы Fe Mn, Al, водные силикаты Mg, Al и Ni, образующиеся на разных стадиях процесса, выделяются в виде коллоидных частиц. Это обстоятельство играет исключительно важную роль в химических и геологических процессах, протекающих в коре выветривания Высокодисперсные коллоидные си схемы, как известно, обладают огромной внутренней поверхностью в миллионы раз превышающей поверхность обычных кристаллических индивидов Это необычайно интенсифицирует химические peaкции и обусловливает широкое распространение явлении адсорбции — поглощения коллоидами различных веществ
Большинство частиц дисперсной фазы коллоидов несет тот или иной заряд В частности, наиболее распространенные в коре выветривания коллоидные частицы глинистых минералов (водные силикаты Al, Mg и др.) и ряда гидроокислов (Si, Mn и др.) имеют отрицателыыи заряд и проявляют свойства анионов Они способны извлекать из растворов многие катионы К, Li, Ba, а также Cu, Pb, Zn, Hg и других тяжелых металлов, улавливают эти элементы из почвенных растворов и затрудняют их миграцию Именно этим объясняется накопление в коре выветривания многих элементов и дефицит их в океанических водах — главных аккумуляторах растворимых продуктов выветривания горных пород на континентах Вторым следствием широкою распространения коллоидов в коре выветривания является возможность миграции в этой форме многих практически нерастворимых соединений В виде коллоидов, особенно при защитном влиянии органических кис лот, происходит вынос из коры выветривания гидроокислов Al, Fe, Mn, Si, а также ряда силикатов и карбонатов
Таким образом, в процессах химического выветривания происходит глубокая дифференциация вещества элювиального покрова, вынос одних элементов и соединении и накопление других Для наиболее распространенных химических компонентов горных пород устанавливается такая последовательность выноса их из коры выветривания Cl, S, Ca, Na, К, Mg, Fe+2, Mn+2, Si, Fe+3, Mn+4, Al, Ti Трудно растворимые соединения конца этого ряда накапливаются в элювиальном покрове в качестве остаточных продуктов химического выветривания
Указанные различия в подвижности элементов позволяют выделять в природных процессах химического выветривания отдельные стадии
Первая стадия отмечается выносом из элювия только таких легко выщелачиваемых анионов, как Cl-1 и SO4-2, и может быть охарактеризована как стадия формирования «обызвестковленного элювия» (по Б.А. Полыпову), поскольку карбонаты щелочных земель являются еще малоподвижными в ранние этапы выветривания и обусловливают щелочной характер среды
Вторая стадия — «глинистого» или «сиаллитного» выветривания характеризуется выносом основной массы щелочей и кальция и накопленном в элювии Si, Al Fe Mg — типичных компонентов глин в виде гидроокислов, каолина, гидрослюд и других водных силикатов перечисленных элементов
Для конечной стадии химического выветривания характерен вынос из элювиального покрова значительных количеств Mg и Si и резкое обогащение остаточных продуктов окислами и гидроокислами Fe, Mn Al и Ti. Это стадия «латеритного» или «аллитного» выветривания, по скольку названные элементы и соединения типичны для латеритов и бокситов.
Климатические условия, состав пород, характер растительности и другие факторы вносят известные усложнения в эту схему стадийности процессов химическою выветривания, но не изменяют общего их направления и последовательности.
Поведение главнейших породообразующих минералов в условия химическою выветривания неодинаково.
Ортосиликаты Mg, Fe, Ni и Ca изменяются необычайно быстро Продуктами их разрушения являются ноитронит, сложные водные силикаты Mg и Ni (монтмориллонит, галлуазит, гидрохлориты), карбонаты, гидроокислы Fe, опал.
Метасиликаты в процессах химического выветривания разрушаются тем легче, чем больше щелочей и закисного железа содержит минерал. В ряду пироксенов наиболее легко разрушаются ромбические пироксены, эгирин-авгит и эгирин, затем волластонит, авгит и диопсид. Амфиболы (за исключением щелочных) в общем представляются более устойчивыми, но также подвержены процессам изменения. Продуктами разрушения их являются гидрохлориты, монтмориллонит, нонтронит, ферригаллуазит, карбонаты Mg и Ca, лимонит и др. Наиболее устойчив в ряду амфиболов актинолит, наименее стойки рибекит и арфведсонит.
Полевые шпаты и фельдшпатоиды в процессах выветривания изменяются в гидрослюды, цеолиты, минералы группы эпидота, хлорита, каолин, бейделлит, карбонаты, опал, халцедон и другие разновидности кремнезема. Для плагиоклазов устанавливается обратная зависимость устойчивости минерала от содержания анортитового компонента быстрее других разрушаются основные плагиоклазы. Наименее стойкими в этой группе минералов являются нефелин, лейцит и особенно содалит и нозеан, полностью разлагающиеся уже в начальную стадию выветривания.
Среди слюд магнезиально-железистые их представители (биотит и флогопит) разрушаются значительно быстрее светлых глиноземистых слюд. Продуктами их выветривания являются гидрослюды, вермикулит, гидрохлориты, нонтронит, каолин, монтмориллонит, эпидот, рутил, аналаз, гидроокислы железа и опал.
Хлориты в общем более устой ивы в коре выветривания, чем слюды Наименее стойкими являются железистые лептохлориты, наиболее устойчивы среди хлоритов пеннин и клинохлор.
Для перечисленных выше породообразующих минералов можно на метить такую общую последовательность их разрушения в процессах прогрессирующего химического выветривания содалит, нозеан, гаюин и нефелин, оливины, ромбические пироксены, моноклинные пироксены, железисто глиноземистые амфиболы, биотит, актинолит, основные плагиоклазы, ортоклаз, хлориты, кислые плагиоклазы, мусковит, кварц. Каждый последующий минерал этого списка в общем представляется более устойчивым в сравнении с предшествующими.
Минералы гидротермальных рудных месторождений, залегающих среди различных магматических, метаморфических и осадочных пород и в первую очередь сульфиды, являются особенно нестойкими по отношению к процессам химического выветривания. Продуктами их разрушения являются в основном лимонит и некоторые другиe, нерастворимые в нейтральных или щелочных грунтовых водах кислородные соединения — сульфаты, карбонаты, фосфаты, молибдаты, ванадаты и роматы тяжелых металлов (англезит, церуссит, смитсонит, малахит, пироморфит, занадинит, вульфенит, крокоит и др.). Эти остаточные продукты окисления сульфидов накапливаются в элювии месторождении и нередко попадают в формирующиеся вблизи них россыпи.
Поведение некоторых второстепенных и особенно акцессорных минералов горных пород в условиях химического выветривания нередко существенно отличается от поведения породообразующих минералов. В большинстве своем очи являются более устойчивыми и часто концентрируются в элювиальном покрове. Однако и для этой группы минералов можно выделить различные по своей устойчивости ряды (табл. 1).
Процессы разрушения пород питающей провинции

В каждом из вертикальных столбцов табл. 1 устойчивость минералов к выветриванию в общем возрастает в направлении сверху вниз. При прогрессирующем выветривании пород количество минеральные видов двух, левых столбцов табл. 1 последовательно сокращается, и элювий все более и более обогащается устойчивыми минералами. Глубокие стадии выветривания переносят лишь минералы правого столбца табл. 1 («весьма устойчивые»).
Таким образом, степень смещения минерального спектра на табл. 1 вправо до некоторой степени может служить показателем того, насколько глубоко продвинулся процесс выветривания материнских пород в пределах питающей провинции. Это обстоятельство представляется существенно важным, поскольку позволяет подходить к оценке возраста рыхлых элювиальных образований. При прочих равных условиях (характер материнских пород, климат) более древние образования коры выветривания будут охарактеризованы более простым минеральным составом с резким преобладанием устойчивых минералов.
Важным следствием указанных различий в устойчивости отдельных минералов является известное геологическое правило, согласно которому россыпные месторождения, формирующиеся в эпохи, непосредственно следующие за эпохами регионального распространения процессов химического выветривания, характеризуются наиболее простым минеральным составом и концентрацией наиболее стойких обломочных компонентов. В известной мере это же правило применимо и в отношении оценки влияния климатических условий на вещественный состав россыпей: при прочих равных условиях (состав исходных пород, генетический тип и возраст отложений) россыпи, формирующиеся в зонах сурового (полярного, аридного) климата, неблагоприятствующего развитию процессов химического выветривания, характеризуются более разнообразным минеральным составом в сравнении с россыпями областей влажного и теплого климата. Убедительные примеры этому дает изучение минерального состава россыпей севера Сибири, а также Кольского полуострова. Здесь довольно часто встречаются такие неустойчивые минералы, как оливин, гиперстен, щелочные амфиболы, эгирин, пирит, арсенопирит, пирротин, халькопирит и некоторые другие.