Понятие о гипергенезе

Введение

Внешняя часть литосферы, сложенная продуктами выветривания, называется корой выветривания. За нижнюю границу выветривания следует  принимать уровень грунтовых  вод в данной местности. Выше уровня грунтовых вод имеются благоприятные  условия для развития процессов выветривания – горные породы здесь периодически смачиваются атмосферными осадками, а в порах и пустотах пород циркулирует воздух.

   Мощность коры  выветривания колеблется обычно  от единиц до нескольких десятков  метров, а в тропиках – иногда  и до 100-200 м.

   Формирование  коры выветривания происходило  и в отдалённые геологические  эпохи. Местами она сохранилась  до настоящего времени и в  отличие от современной называется  ископаемой корой выветривания.

Понятие о гипергенезе (выветривании)

   На поверхности континентов горные породы попадают в обстановку, которая более или менее от условий их образования.

   Дневная поверхность,  как геологи называют границу  земной коры и атмосферы, характеризуется  небольшими величинами давления  и температуры - в сотни и тысячи раз меньше тех величин, при которых возникают магматогенные или метаморфогенные минералы. Давление и особенно температура на поверхности суши испытывают значительные колебания в течении суток и года. Мощным фактором воздействия является жидкая вода, содержащая растворённые химически активные соединения. На горные породы здесь также действует целая серия сложных процессов, связанных с развитием живых организмов и почвообразованием. Всё это обуславливает неустойчивость минералов, возникших в иных условиях, и возникновение новых минералов.

   Выветриванием называется сумма физических, химических и физико-химических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов на поверхности суши под влиянием факторов и условий географической среды. Не следует думать, что выветривание связано с деятельностью ветра. Ветровая деятельность имеет весьма отдалённое отношение к процессам выветривания. Чтобы избежать этой неясности смыслового и буквального значения термина ”выветривание”, А.Е.Ферсман в 1922г предложил процессы преобразования горных пород и минералов на поверхности обозначить термином “гипергенез” (от греч hyper – сверху, над).

   Процесс выветривания  очень сложен и включает многочисленные  частные процессы и явления  – механические, физико-химические, химические, биогеохимические.

   Чисто физические (механические) явления приводят  к дезинтеграции горных пород: к механическому их измельчению без изменения минералогического и, следовательно, химического состава. Механическая дезинтеграция пород происходит в результате неодинакового объёма и линейного расширения породообразующих минералов под влиянием сезонного  и суточного колебания температуры. Порода рассекается густой сетью тонких и тончайших трещин. В эти трещины поступает вода , вследствие чего в них возникает капиллярное давление. Его величина достигает значительной величины. Например, в трещины шириной 0,001мм капиллярное давление составляет около 1,5кг/см (при обычной температуре), а в трещинах толщиной в тысячу раз более тонких(1*10мм)- около1500кг/см. При расширении трещин начинают действовать явления замерзания -размерзания воды с изменением объёма.

   В итоге массивная  кристаллическая порода, сохраняя  свой исходный состав, теряет монолитность и начинает разрушаться. В первую очередь проявляются скрытые напряжение , возникшие при образовании разрушающейся породы, и проявляются отдельности – участки породы, ограниченные трещинами и обладающие определённой формой. Особенно эффективно проявляются округлые концентрически-скорлуповатые отдельности, образующиеся при выветривании некоторых эффузивных и гипабиссальных пород.

   Механическая  дезинтеграция плотных горных  пород приводит к образованию  обширных развалов, глыб и россыпей  щебня (курумов), коллювиальных скоплений  (от лат colluvio-скопление) щебня у подножия обрывов, протяжённых каменных потоков по склонам. Это типично для полярных, пустынных и высокогорных ландшафтов.

   Дезинтеграция  плотных горных пород, обрзование  в них системы трещин и микрощелей  обуславливает, с одной стороны,  их хорошую водопроницае- мость, а с другой – резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Это создаёт условия для активизации разнообразных физико-химических, химических и биогеохимических реакций. Осуществление этих реакций возможно только при наличии свободной жидкой воды.

   В зависимости  от состава растворённых в  них соединений почвенные и  грунтовые воды оказывают растворяющее  действие на минералы горных  пород. При этом в результате  химических реакций обмена возникают  новые минералы. Примером является метасамотическое образование смитсонита при взаимодействии вод, содержащих хорошо растворимый сульфат цинка, с известняками.

   Под воздействием  воды происходит гидратация минералов,  т.е. закрепление молекул воды  на поверхности отдельных участков кристаллохимический структуры минерала. В результате образуется гидратированные разновидности. Например, гётит переходит в гидрогётит:

   Весьма важное  значение имеют реакции гидролиза,  т.е. полного разрушения кристаллохимической  структуры минерала под воздействием молекул воды. При этом также образуются новые минералы. Так, серпентин в результате гидролиза распадается на оксиды магния и кремния. Частично эти соединения удаляются грунтовыми водами, но в значительном количестве остаются на месте. Оксиды кремния входят в состав аморфного апала, а магний при наличии в воде углекислоты образует магнезит:

   Гидролиз силикатов  со сложной кристаллохимической  структурой сопровождается не  полным её разрушением, а распадом  на отдельные блоки, из которых затем возникают новые минералы. Часто этот процесс протекает стадийно с последовательным возникновением нескольких минералов. Так. При гипергенном преобразовании полевых шпатов возникают гидрослюды, которые затем преврвщаются в минералы группы каолинита или галлуазита:

   Механизм этих  реакций во многом ещё неясен. В их осуществлении наряду с чисто химическими принимают участие биологические процессы. Особенно важное значение имеет непосредственное воздействие  животных и растительных организмов на минералы, а действие продуктов их жизнедеятельности. Состав и растворяющие свойства почвенно-грунтовых вод в значительной мере обусловлены этими продуктами. Ещё более зависит от жизнедеятельности состав газов (кислорода, сероводорода, углекислого газа и д.р.) происходят окислительно-восстановительные реакции и возникают крупные скопления оксидов железа и марганца, сульфидов железа и других металлов.

   Все перечисленные  процессы действуют на исходные породы вместе и одновременно, так что действие одного из них невозможно отделить от действия остальных. Поэтому неправильно расчленять сложный, но единый процесс выветривания на химическое , физическое выветривание и т.п. Можно лишь говорить о химических, физических и других частных процессах, происходящих при выветривании, и о преобладании одних из них в конкретных условиях тех или иных участков земной поверхности.

   Разные минералы  обладают неодинаковой устойчивостью  при выветривании. Степень гипергенной  устойчивости наиболее распространенных магматических минералов обратна последовательности их кристаллизации из магматического расплава и в значительной мере обусловлена их кристаллохимической структурой. Наиболее легко разрушаются силикаты с изолированными кремнекислордными тетраэдрами (оливин). Более устойчивы минералы, имеющие цепочечную или ленточную структуру (амфиболы и пироксены). Довольно легко происходит гипергнное преобразование железомагнезиальных слюд. Устойчивость полевых шпатов зависит от их состава: кальциевые плагиоклазы выветриваются так же легко, как пироксены, а натриевые и калиевые полевые шпаты выветриваются с трудом. Наиболее устойчив кварц, структура которого состоит исключительно из кремнекислородных тетраэдров. Как следует из приведённых данных, состав продуктов выветривания в значительной мере обусловлен минералогическим составом исходных горных пород.

   При выветривании  происходит не только разрушение первичных минералов, но и возникновение ещё более многочисленных новых, гипергенных. Большая часть глинистых минералов, многочисленные сульфаты, карбонаты, минералы оксидов железа, алюминия, марганца, титана и многие другие имеют гипергенное происхождение. Следовательно, выветривание нельзя рассматривать только как процесс разрушения горных пород. Это одновременно и созидательный процесс, в результате которого формируется особые образования – коры выветривания.

Факторы и условия образования  кор выветривания

Роль биоклиматических условий.

Образование продуктов  выветривания находится в тесной зависимости от физико-географических условий и среди них в первую очередь климата. Действительно, с климатом связано поступление воды, необходимой для протекания большей части реакций на поверхности Земли, а также обеспечение процессов выветривания энергией.

   Энергия расходуется на  разрушение кристаллохимических  структур первичных минералов и настроение новых. Так, для полного разрушения на ионы одной грамм-молекулы оливина необходимо затратить около 21тыс. Дж., для более устойчивого альбита -46тыс. Дж.

   Процесс выветривания обусловлен  преимущественно энергией солнечной радиации. Величина поступающей лучистой энергии Солнца на поверхность Земли зависит от угла падения солнечных лучей и возрастает от полюсов к низким широтам. Однако интенсивность выветривания не обязательно будет возрастать вслед за увеличением радиационного баланса. Степень использования поступающей энергии зависит от атмосферного увлажнения. Как бы долго не подвергались воздействию солнечных лучей полевые шпаты, они не превратятся в глинистые минералы при отсутствие жидкой воды, необходимой для химических и биохимических реакций. Поэтому в засушливых ландшафтах, где количество осадков меньше величины испаряемости, степень использования энергии Солнца очень мала. В условиях значительного атмосферного увлажнения полнота использования энергии солнечной радиации резко возрастает.

   Следует подчеркнуть, что  значение элементов климата определяется  не только их непосредственным  воздействием на выветривание, но  и тем, что климат в значительной  мере регулирует биологические  и почвообразовательные процессы, часто играющие ведущую роль в гипергенном преобразовании горных пород. Поэтому можно считать, что общая направленность выветривания определяется не просто климатическими, а биоклиматическими условиями.

   Изменение биоклиматических  условий преимущественно в зависимости от атмосферного увлажнения обуславливает возникновение двух основных типов выветривания – гумидного (от лат. Humidus - влажный) и аридного (от лат. Aridus - сухой). Каждому типу выветривания соответствуют коры определённого состава и строения.

   Гумидные ландшафты характеризуются  значительным атмосферным увлажнением  и лесной растительностью. Последняя  обладает огромной биомассой,  измеряемой тысячами центров  сухого органического вещества  на 1 га. Величина ежегодно отмирающего  органического вещества в таёжных лесах составляет 35-55 ц/га, а во влажных тропических лесах достигает 250 ц/га. Эта масса отмирающего органического вещества перерабатывается в почве микроорганизмами в органические кислоты. Поэтому почвенные воды гумидных ландшафтов обладают, кислой реакцией и активно воздействует на минералы исходных горных пород. Выветривание протекает под воздействием постоянного промывания выветривающихся толщи горных пород обильными кислыми растворами. Чем больше атмосферных осадков и поступающей солнечной энергии, тем более интенсивно выветриваются горные породы.

   Иная картина наблюдается  в аридных ландшафтах. Здесь распространена  травянистая растительность. Её  биомасса в десятки раз меньше  биомассы лесов. Особенная почвенная  микрофлора перерабатывает растительные остатки с образованием высокополимеризованных органических соединений, которые не обладают агрессивными свойствами по отношению к минералам. Почвенные воды имеют нейтральную или слабощелочную реакции. Полного промывания выветривающейся толщи не происходит, и в ней постепенно накапливаются относительно легкорастворимые соединения.

Роль и значение рельефа

Большая роль в процессах  гипергенеза принадлежит рельефу. На положительных элементах рельефа  гипергенные минералы образуются из химических элементов, которые входят в состав горных пород, слагающих этот элемент рельефа. В таких условиях формируется автоморфная (от греч. Avtos - сам; morphe - форма), или элювиальная кора выветривания. Характерная черта аморфных кор – образование их полностью за счёт ресурсов исходной породы, без существенного поступления химических элементов с соседних участков.

   В том же время в  процессе формирования автоморфной коры некоторые химические элементы вносятся из неё почвенно-грунтовыми водами в виде истинных и коллоидных растворов. Эти подвижные соединения переносятся с водами в понижения рельефа и выпадают в форме различных минералов, которые слагают гидроморфную кору. Следовательно, состав гидроморфной коры зависит от состава и процессов, протекающих при формировании автоморфной коры выветривания. Связь между составом автомофной и гидроморфной кор получила название геохимического сопряжения. Таким образом, в процессе выветривания рельеф контролирует перераспределение химических элементов по площади и определяет размещение в пространстве разных форм коры выветривания.

   Наиболее интенсивные процессы гипергенного преобразования минералов в постоянно влажных тропических ландшафтах. Здесь происходит глубокое преобразование кристаллохимических структур силикатов, сопровождающееся выносом щелочных и щелочноземельных химических элементов, кремни, железа, алюминия и возникновения каолинита, галлуазита, нонтронита, аллофаноидов, гидрослюд, гидрогематита, псиломелана. В ряде случаев возникает минералы гидроксидов алюминия. Мощность афтоморфной коры при большой длительности выветривания достигает несколько десятков метров.

   На относительно пониженных  элементах рельефа за счёт выноса из автоморфных кор образуются мощные накопления оксидов железа, алюминия, иногда маргонца.

   Интенсивность выветривания  уменьшается в гумидных ландшафтах  умеренного и холодного климата.  В результате процессов выветривания  происходит не столь интенсивное  преобразование силикатов, как  в гумидных тропиках. Здесь также  возникают глинистые минералы, но среди них преобладают гидрослюды; минералы группы каолинита мало характерны. Мощность элювиальной коры выветривания низкотермических гумидных ландшафтов небольшая. Интенсивность выноса и гидрогенного накопления оксидов железа и особенно алюминия сильно уменьшается по сравнению с гумидными тропическими ландшафтами.