Химическое выветривание

Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

Под их влиянием существенно изменяются структура и вещественный состав горных пород и образуются новые минералы, которые оказываются устойчивыми в поверхностных или гипергенных условиях.

В химическом выветривании принимают участие и органические кислоты, выделяемые растительностью и микроорганизмами. И, следовательно, в данном типе выветривания принимают участие и биохимические процессы.

 

Важнейшим фактором химического и биохимического выветривания является вода, которая не только растворяет химические элементы и соединения, находящиеся в горной породе, но и обусловливает миграцию наиболее подвижных химических соединений.

Окисление

 

H₂O H⁺ + OH^-

Диссоциация воды

Ионы H⁺ способны извлекать и удалять из кристаллов различные ионы.

 

Скорость воздействия на горные породы во время химического выветривания возрастает в том случае, когда в растворе присутствуют углекислота и органические кислоты.

Химическое воздействие на минералы и горные породы оказывают находящиеся в растворенном в воде виде такие ионы, как НСО₃-, SO₂-, Ca₂⁺, Mg₂⁺, Na⁺, К⁺ и др. Они замещают заряженные атомы в кристаллах или взаимодействуют с ними, тем самым нарушая единство кристаллической решетки.

 

Процессы химического выветривания последовательно происходят в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении и гидролизе.

 

Этот процесс наиболее интенсивно протекает в горных породах, содержащих минералы, состоящие из соединений железа(III), марганца.

Например, при окислении магнетит переходит в более устойчивую форму — гематит:

Fe₃O₄ Fe₂O₃

Сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, оксидами и гидроксидами.

FeS₂ +nО₂ + nН₂О Fe₃O₄ Fe₂(SO₄)₂ Fe₂O₃· nH₂О
пирит лимонит

Бурый железняк (лимонит) – это сложный полиминеральный агрегат, состоящий из гётита (FeO · ОН) и гидрогётита (FeO · ОН · nН₂О).

Устойчивый в поверхностных условиях гематит возникает и при выветривании таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы под действием воды, кислорода и углекислоты.

Реакция такого преобразования может быть изображена следующим образом:

(Mg,Fe)₂(Si0₄) Fe₂O₃ + nMg(HCO₃)₂ + nH₄Si0₄
оливин гематит растворимые соединения

В результате процесса преобразования железосодержащих минералов и их перехода в лимонит многие горные породы, в частности пески, песчаники, глины, мергели, окрашиваются в бурый или охристый цвет, что свидетельствует об окислении включений, содержащих железистые минералы.

 

Гидратация

Данный процесс заключается в присоединении воды к веществу. В результате этого осуществляется закрепление молекул воды на поверхности некоторых участков кристаллической решетки.

Примером гидратации является переход ангидрита в гипс:

CaSO₄ + 2Н₂О CaSO₄·2H₂O
ангидрит гипс

При изменении условий реакция обратима и гидратация превращается в дегидратацию.

Процесс гидратации происходит при переходе гематита в гидроксиды железа. Fe₂O₃ + H₂O 2 FeO (OH)

гематит гётит

Далее гётит переходит в гидрогётит.

FeO (OH) + nН₂О FeO · nН₂О
гётит гидрогётит

 

Растворение

Горные породы растворяются водами, содержащими углекислоту или органические кислоты.

Особенно интенсивно этот процесс проявляется в осадочных горных породах, которые представлены хлоридами, сульфатами и карбонатами.

Наибольшей растворимостью обладают хлориды — соли натрия (галит или поваренная соль) и калия (сильвин).

Далее по степени растворимости следуют сульфаты — ангидрит и гипс, затем карбонаты — известняки и доломиты. В процессе растворения среди монолитных толщ осадочных пород возникают различные полости, создающие карстовые формы рельефа.

 

Гидролиз

Сущность этого процесса заключается в разложении минералов и выносе отдельных элементов и соединений и присоединении к оставшимся соединениям гидроксильных ионов и гидратации.

При этом существенным образом нарушается структура кристаллов, которая заменяется совершенно новой.

Различают несколько вариантов гидролиза солей:

1. Гидролиз соли слабой кислоты и сильного основания:

Na₂CO₃ + Н₂О = NaHCO₃ + NaOH

2Na ⁺ + CO₃^{2 −} + H⁺ + OH⁻ = Na ⁺ + HCO₃⁻ + Na ⁺ + OH⁻

CO₃²⁻ + H₂O = HCO₃⁻ + OH⁻

(раствор имеет щелочную реакцию, реакция протекает обратимо)

2. Гидролиз соли сильной кислоты и слабого основания:

CuCl₂ + Н₂О = CuOHCl + HCl

Cu²⁺ + Н₂О = CuOH⁺ + Н⁺

(раствор имеет кислую реакцию, реакция протекает обратимо)

3. Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

2Al³⁺ + 3S²⁻ + 6Н₂О = 2Al(OH)₃ + ЗН₂S

(Гидролиз в этом случае протекает практически полностью, так как оба продукта гидролиза уходят из сферы реакции в виде осадка или газа).

4. Соль сильной кислоты и сильного основания не подвергается гидролизу, и раствор нейтрален.

 

В гипергенных условиях каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, которая характерна для различных глинистых минералов.

Из кристаллической решетки полевых шпатов выносятся ионы калия, натрия и кальция (в виде К₂СО₃, Na₂CO₃, CaHCO₃, СаСО₃) в результате их взаимодействия с углекислотой.

Процесс идет в условиях влажного и жаркого климата.

Если климат сухой, то карбонаты остаются в глинах.

 

Стадии разложения полевых шпатов в условиях влажного теплого климата. В этих условиях полевые шпаты вначале переходят в гидрослюду, а затем в более устойчивый в гипергенных условиях глинистый минерал каолинит:

K(AlSi₃O₈) (K,H₂O)Al₂(OH)₂(AlSi₄O₁₀)·nН₂О Al₄(OH)₈(Si₄O₁₀)
ортоклаз гидрослюда каолинит

 

Судьба кремнезема в этом процессе:

SiO₂ выносится в форме истинных растворов или комплексных кремнийорганических соединений (соединения, в которых Si связан с углеродом, как, например, в силанах: (CH₃)₄Si, CH₃SiH₂SiH₂CH₃, (CH₃)₃SiCl.

 

Структурная формула силана

Структурная формула силикона (кислородсодержащее кремнийорганическое соединение.

Значительная часть кремнезема в водах сравнительно быстро переходит в коллоидальное (от греч. «колла» — клей) состояние и выпадает из раствора в виде амофного гидратированного осадка SiO₂·nН₂О.

Это аморфный минерал при высыхании и частичной потере воды превращается в опал. Но часть кремнезема остается в связанном состоянии в каолинитовой молекуле.

 

[Опал – аморфный диоксид кремния SiO₂·nH₂O Формы выделения: гроздьевидные или почковидные агрегаты аморфного кремнезёма, выполнение трещин. По происхождению осадочный, гипергенный или низкотемпературно-гидротермальный. Встречается в виде прожилок, заполняя трещины вмещающих пород].

 

В условиях влажного тропического и экваториального климата при большом количестве атмосферных осадков, высоких среднегодовых температурах и большом растительном опаде выветривание горных пород на каолинитовой стадии не прекращается и происходит дальнейшее разложение каолинитовой молекулы до свободных оксидов и гидроксидов:

Al₄(OH)₈(Si₄O₁₀) Аl(ОН)₃ + SiO₂·nН₂О

каолинит гидраргиллит опал

 

Гидраргиллит - Аl(ОН)₃ - или гиббсит — один из главных рудоносных минералов, представляющих алюминиевую руду.

Непосредственно над материнскими выветрелыми породами располагаются латериты, главной составной частью которых являются полуторные оксиды алюминия и железа (А1₂О₃ и Fe₂O₃) с небольшой примесью кремнезема (SiO₂).

Переотложенные и преобразованные латериты называют бокситами.

 

[Латерит - своеобразная красноцветная горная порода, образуется в результате выветривания алюмосиликатов в условиях жаркого и влажного климата в зонах переменно влажных субэкваториальных, тропических и частично субтропических географических поясов. Латерит — сильнопористая твердая кора выветривания, состоящая из каолина, окислов железа, алюминия].