23.03.2018

Общий план экспериментальных исследований выветривания пород


Выветривание пород в поверхностных условиях, которое является результатом воздействия прежде всего климатических и в особенности гидрологических агентов, таких, как атмосферные осадки и дренаж, тесно связано с природным «циклом воды», состоящим из четырех последовательных фаз: атмосферные осадки — инфильтрация и сток — накопление — испарение. Если в лаборатории использовать экспериментальную модель, которая позволяет воспроизвести такой цикл в уменьшенном масштабе, то можно ожидать возникновения ряда явлений, типичных для геохимии экзогенных образований и особенно для процессов разложения горных пород.

Выбор прибора. Для всестороннего изучения химического разложения пород был выбран простой прибор — экстрактор «Сокслет», который по своим свойствам отвечает всем необходимым требованиям.

1. С точки зрения «гидрологии» такой прибор отлично воспроизводит цикл воды (фиг. 1).

2. С геохимической точки зрения экстрактор «Сокслет» позволяет производить без каких-либо дополнительных приспособлений продолжительное промывание обломков пород, помещенных в главный цилиндр-экстрактор прибора. Благодаря наличию бокового сифона (сливной трубки) в приборе можно отчетливо выделить две геохимические фазы разложения, которые возникают при любом выветривании (фиг. 2):

а. Твердую остаточную фазу выветривания, находящуюся в главном цилиндре прибора. Она, как правило, состоит из смеси новообразованных минералов, возникших на месте в результате перераспределения вынесенных из породы соединений, а также некоторого количества первичных, еще не разложившихся минералов, в том числе и устойчивых к выветриванию. Эта фаза была названа твердой остаточной фазой выветривания (reliquat d’alteration).

б. Жидкую фазу выветривания, которую можно назвать фильтратом выветривания (lessivat d’alteration). Она содержит все те элементы и их соединения, которые после высвобождения из минералов выносились раствором, фильтровавшимся через породу (фиг. 2).

В нашем приборе фильтрат накапливался в нижней колбе-приемнике, где он постепенно упаривался в результате постоянного подогрева. Кроме того, колба-приемник фильтрата позволила осуществить следующую фазу цикла воды, т. е. испарение, которое в природе характеризует области бессточных бассейнов.

Следовательно, используя экстрактор «Сокслет», можно на любой стадии экспериментальных исследований подвести геохимический баланс процесса выветривания породы. Для этого достаточно определить составы двух фаз — твердой остаточной и жидкой — и сравнить их с составом первичной породы.

3. С точки зрения «стадийности выветривания», представляющей одинаковый интерес как для литологов, так и для почвоведов, экстрактор «Сокслет» вследствие наличия бокового сифона позволил наметить в цилиндре две зоны с различной гидрологической характеристикой:

а. Верхнюю зону, расположенную выше устья бокового сифона. Здесь происходит постоянное увлажнение обломков породы фильтрующимися растворами, но никогда не наблюдается полного обводнения. Таким образом, эксприментальное выветривание минералов происходит в постоянно влажной среде и в контакте с воздухом. Эта зона была названа атмосферной (zone atmospherique).

б. Нижнюю зону, в которой обломки породы периодически полностью погружаются в раствор в моменты поднятия жидкости до устья бокового сифона. Эта зона получила название зоны колебания уровня грунтовых вод (zone de fluctuation phreatique). Разложение породы здесь происходит в условиях постоянной смены двух обстановок: полного обводнения и влажной атмосферы (последние условия похожи на условия верхней зоны).
Все вышеизложенное показывает, что экстрактор «Сокслет» представляет собой прибор, удобный для моделирования экзогенных процессов. И действительно, он позволяет определенным образом связать различные факторы выветривания (температуру и интенсивность выноса, ритмичность колебания уровня воды в цилиндре и интенсивность дренажа и т. д ). Совместное рассмотрение действия всех факторов очень усложнило бы интерпретацию полученных данных. По этой причине необходимо производить несколько опытов, сочетая в каждом из них ограниченное число факторов выветривания.

Моделирование различных условий опытов. Всесторонний анализ условий поверхностного выветривания помог выделить те параметры, которым принадлежит решающая роль в этом процессе, а именно:

- климатические факторы (температура, количество осадков, испарение);

- физико-химические и биохимические свойства растворов, которые воздействуют на породы;

- биологические факторы, которые в некоторых случаях влияют на процесс выветривания, в особенности в самой поверхностной пленке; петрографический состав первичных пород.

Различные сочетания этих характеристик создают условия для различных типов выветривания на земной поверхности, которые в настоящее время довольно хорошо охарактеризованы с морфологической, геохимической и минералогической точек зрения.

Учитывая все вышесказанное, можно прийти к выводу, что основная цель исследования состоит в попытке экспериментально воспроизвести различные геохимические типы разложения или, как минимум, на первом этапе работы, один из таких типов; затем, изменяя планомерно условия опытов, оценить эффективность различных факторов в процессе выветривания и установить, таким образом, «экспериментальные пределы» возникновения тех или иных образований.

Итак, выбор экстрактора «Сокслет» для проведения опытов хорошо согласуется с их конечной целью (за исключением опытов с биологическими агентами), так как он позволяет не только осуществить сразу целый комплекс определенных условий, но и изменять их в широких пределах независимо друг от друга

1. Параметры, связанные с динамикой воды (гидродинамикой), изменить очень легко. Для этого достаточно лишь усилить нагрев под колбой-приемником, что в свою очередь усиливает испарение, а следовательно, и «выпадение осадков».

2. Температурные факторы зависят прежде всего от величины конденсирующего холодильника; для работы с очень низкими температурами достаточно несколько видоизменить прибор.

3. Физико-химические параметры растворов, которые промывают породу, также легко изменить. Прибор «Сокслет» в обычной воздушной атмосфере

позволяет проводить обработку пород дистиллированной водой, т. е. в условиях нейтральной окислительной среды (фиг. 1). Однако для поддержания постоянной циркуляции нужного газа достаточно подвести тонкую трубку к обратному холодильнику (фиг. 3). Для получения кислых растворов использовался CO2 (инертная среда) или H2S (восстановительная среда). Таким же способом можно пропускать кислород, азот, водород.
И наконец, при промывании пород можно использовать химические реактивы, которые помещают прямо в нижнюю колбу-приемник. В этом случае выбор агентов выветривания ограничен только теми, давление пара которых достаточно высоко при температуре 100°С (NH3, HCl, муравьиная, уксусная кислоты).

4. Что касается петрографического характера пород, подвергающихся экспериментальному выветриванию, то в цилиндр прибора можно помещать любую нужную породу. Нас интересовали изверженные породы, состоящие из эндогенных минералов, неустойчивых в экзогенных условиях. Это наиболее простой, но и наиболее типичный объект для моделирования процессов выветривания.

После анализа всех возможностей прибора было решено провести эксперименты трех типов:

1. Основной эксперимент, при котором в приборе цикрулировала дистиллированная вода, находящаяся в постоянном контакте с обычным воздухом, при температуре около 70° С. Этот тип эксперимента позволял оценить возможности моделирования процессов поверхностного выветривания, наиболее широко развитого в природе, в лабораторных условиях в ограниченные отрезки времени. Кроме того, использование пород разного типа давало возможность выяснить роль петрографического состава в процессе выветривания.

2. В другой группе опытов при сохранении тех же условий циркуляции воды и температуры, что и в основном эксперименте, вместо чистой воды применялся ряд химических реактивов (CO2, H2S, уксусная кислота). Это давало возможность оценить роль физико-химических факторов при разложении пород.

3. В последнем типе опытов породы снова обрабатывались чистой водой, но в условиях более низкой температуры и менее интенсивного дренажа. Это позволяло получить данные о влиянии гидродинамических и температурных условий на выветривание пород.





Яндекс.Метрика