Изучение трахиандезита

1. Изменение трахиандезита в зоне атмосферного выветривания. По окончании эксперимента из верхней части цилиндра прибора были извлечены обломки ржаво-коричневого цвета, которые были подвергнуты всестороннему изучению. Для наблюдения за развитием ржавой поверхностной корки многочисленные обломки выветрелой лавы были распилены на части. При этом обнаружилось, что корка состоит из оболочек, последовательно сменяющих одна другую от поверхности к центральной части обломков (фиг. 7).

Поверхностная оболочка составляет приблизительно 10% от первоначального веса обломка; она полностью ожелезнена, имеет толщину 4—5 мм, равномерно окрашена в ржавый цвет, пористая, рыхлая. Эту охристую корку А можно сравнить с фацией «пряника» тропической коры выветривания.

Промежуточная зона толщиной 3—4 мм была названа серо-охристой коркой В. Изменения в этой оболочке выражены менее ярко, чем в поверхностной; однако интенсивное ожелезнение развивается по всем канальцам пористой лавы, которая имеет несколько более рыхлое строение, чем первичная порода.

Центральное ядро обломков С представляет собой неизмененный трахиандезит. Отмечаются лишь следы слабого ожелезнения вдоль некоторых канальцев.

Таким образом, в каждом обломке лавы наблюдается постепенный переход от свежей первичной породы С через промежуточную зону В к поверхностной оболочке А, представляющей собой остаточную твердую фазу экспериментального выветривания. Необходимо детально изучить каждую оболочку, чтобы ясно понять, как шел процесс разложения породы.

Физические и структурные характеристики корки выветривания. Часть поверхностной охристой корки А удалось отделить в виде компактного кусочка, что дало возможность определить ее объемный вес. Остальной материал корки был собран в виде порошка, так как корка была настолько хрупкой, что рассыпалась в руках.

Из вещества переходной зоны В кусочка достаточного размера для определения объемного веса выделить не удалось. Материал этой зоны был осторожно отделен с помощью небольшого зубила и растерт затем в агатовой ступке. После удаления выветрелых оболочек были собраны неизмененные породы из центральных зон обломков С.

В табл. 9 приведены данные определений объемного веса, величины pH и магнитной восприимчивости х для каждой из оболочек выветрелых обломков трахиандезита.

Самым низким объемным весом и наиболее высокой магнитной восприимчивостью обладает поверхностная охристая корка А. Изучение охристой корки А под микроскопом показало широкое развитие изотропных краснооранжевых продуктов в массе вещества породы (фото 7). Многочисленные кристаллы полевых шпатов подверглись глубокому изменению, однако очертания их не изменились, вследствие чего сохранилась первичная структура породы (фото 8). Зная объемный вес охристой корки (d = 1,66), можно рассчитать те «потери», которые претерпела порода в процессе экспериментального выветривания. Разложение породы было довольно интенсивным так как 23% вещества от первоначального веса породы оказалось вынесенным.

Для гранулометрической сепарации не применялись никакие специальные методы и диспергенты; вещество охристой корки просто растиралось пальцами. Данные определения гранулометрического состава (микрометод Локюссоля) представлены в табл. 10. Хорошо видно, что половину материала составляет фракция 2—20 мк.

Определение магнитной восприимчивости каждой фракции (табл. 10) позволило установить источник магнитности вещества. Мы не считаем, что увеличение значения % в охристой корке по сравнению с первичной породой происходит за счет возникновения каких-то магнитных новообразованных минералов, как это следует из работы Лё Борнь. Увеличение магнитной восприимчивости, по-видимому, связано с относительным накоплением более устойчивых первичных магнитных минералов в процессе выветривания породы. С помощью ручного магнита из фракции 20—100 мк, которая характеризовалась самой высокой величиной х = 6430, были выделены магнитные компоненты. Магнитные минералы составили 12,5% от всей фракции и были представлены исключительно первичным магнетитом.

В результате проведенного изучения можно сделать следующие выводы:

1. Магнитные минералы окисного типа (железистые или титанисто-железистые) не претерпевают изменений при экспериментальном выветривании.

2. Железо, которое в процессе эксперимента перераспределяется на месте с образованием гидроокислов, выделяется главным образом из железо-магнезиальных силикатов при их разложении.

3. При выветривании трахиандезита не возникает никаких магнитных новообразованных окислов и гидроокислов железа.

Минералогическая характеристика. Для доказательства возникновения новообразованных минералов в твердой остаточной фазе выветривания проводилось детальное изучение первичной породы, серо-охристой промежуточной корки В и различных фракций верхней охристой корки А. Изучение велось с помощью дифрактометрического рентгеновского и термического (ДТА) анализов (фиг. 8).

Охристая корка А. Во фракции < 20 мк были установлены следующие новообразованные минералы:

Гиббсит Al(OH)3, в очень малом количестве, с рефлексами 4,79 А (сл) — 4,33 А (сл).

Бёмит AlO*OH, хорошо окристаллизованный, с рефлексами 6,14 А (с) — 3,16 А (сл) — 2,35 А (с), с эндотермическим пиком на термограммах около 500° С (фиг. 8, кривая 1).

Гели аморфные, железистые, состава Fe2O3*nН2O, с экзотермическим пиком около 350° С (фиг. 8, кривая 1).

Отмечено присутствие некоторого количества первичных минералов — магнетита и полевых шпатов.

Данные рентгеновского анализа и ДТА (фиг. 8, кривая 2) подтвердили присутствие во фракции 20—100 мк бёмита и железистого геля. Кроме того, здесь в большом количестве встречаются магнетит (рефлексы 4,85 А (ср) — 2,50 А (с) — 1,61 А (ср)) и полевые шпаты.

Характерно, что в тонких фракциях полностью отсутствуют такие первичные минералы, как железо-магнезиальные силикаты (роговая обманка). Их можно обнаружить только во фракциях 100 мк.

Серо-охристая корка В. В зоне перехода от свежего первичного трахиандезита к охристой корке встречены те же новообразованные минералы, что и в зоне А:

Бёмит с рефлексами 6,14 А (с) — 2,35 А (с), с эндотермическим пиком около 500° С (фиг. 8, кривая 3).

Аморфный железистый гель Fe2O3*Н2O, со слабым экзотермическим пиком около 300° С (фиг. 8, кривая 3).

Остальная масса представлена первичными минералами трахиандезита.

Центральное ядро С. Эта зона представлена практически свежей неизмененной породой. Все первичные минералы сохраняются, новообразованных минералов не отмечено.

Таким образом, искусственное выветривание трахиандезита из Вольвика привело не только к поверхностному разложению первичной породы, но и к одновременному возникновению в остаточной фазе новообразованных минералов. Следует отметить, что это не глинистые минералы, а гидроокислы алюминия и железа; из них первые хорошо окристаллизованы (бёмит — гиббсит), а вторые всегда аморфны (гидроокислы железа).

Эволюция химического и минерального составов трахиандезита. Химические анализы вещества двух оболочек (А и В) и центрального ядра позволяют проследить развитие процесса выветривания.

Результаты весового анализа, приведенные в табл. 11, указывают на постепенное уменьшение количества кремнезема и увеличение содержания Al2O3 и Fe2O3. Молекулярное отношение Гаррасовица Кi(SiO2/Al2O3) изменяется от 5,1 в свежей породе до 3,9 в поверхностной охристой корке, а отношение SiO2 : R2O3 соответственно меняется от 4,9 до 2,8.

Химические анализы свежего трахиандезита и охристой корки были пересчитаны на минералы (табл. 12). В зоне охристой корки, кроме первичных минералов, уцелевших при выветривании, появляется определенное количество свободных окислов алюминия, железа и титана, которые соответствуют новообразованным минералам гидроокислов, установленным рентгеновским анализом и ДТА. Поверхностная охристая корка (твердая остаточная фаза выветривания) состоит на 84% из первичных еще не разложенных и устойчивых минералов и на 16% из новообразованных минералов.

Так как в охристой корке трахиандезита прекрасно сохранилась структура первичной породы, оказалось возможным для изучения интенсивности выноса и накопления разных элементов применить изоволюметрический метод, описанный Милло и Бонифас (табл. 13). Пересчеты показали, что при выветривании трахиандезита: 1) сохраняется постоянное количество железа (115%) и титана (102%); 2) выносится довольно значительное количество кремнезема (32% от содержания в первичной породе), щелочных земель и щелочей; 3) происходит слабый, но бесспорный вынос Al2O3 (12% от содержания в первичной породе).

По сумме абсолютных разностей содержаний всех элементов в свежей и выветрелой породах, приведенных к 100, можно рассчитать количества элементов, вынесенных с фильтратом из атмосферной зоны (в%) (табл. 13, колонка 6).

Итак, выветривание трахиандезита из Вольвика в лабораторных условиях характеризуется следующими особенностями:

- достаточно интенсивным выносом кремнезема, щелочей и щелочных земель;

- полной неподвижностью и накоплением железа и титана в форме аморфных гидроокислов;

- «промежуточным» поведением алюминия, который частично выносится с фильтратом (пересчет изоволюметрическим методом), а частично накапливается в твердой остаточной фазе (в виде бёмита).

Геохимический баланс атмосферного выветривания трахиандезита. Для охристой корки выветривания можно подвести общий геохимический баланс, так как в используемом приборе исключается привнос со стороны, поскольку грунтовые воды никогда не поднимались в атмосферную зону.

Общий баланс выветривания. При пересчете по изоволюметрическому методу было установлено, что из верхней зоны с фильтратом было вынесено 23% от первичной массы породы, т. е. остаточная твердая фаза составила 77% (табл. 13). Пересчет химического состава охристой корки на минеральный состав показал, что 84% первичных минералов оказались устойчивыми к выветриванию, а на долю новообразованных минералов приходится 16% (табл. 12). Если исходить из того, что твердая остаточная фаза составляет 77% от свежей породы, то в пересчете на всю породу в целом устойчивые минералы составят 64,6%, а новообразованные — 12,4%.

Теперь можно вычислить содержание той части первичной породы, которая действительно подверглась разложению водой, т. е. гидролизу. Содержание этого гидролизата будет равно разнице между количеством свежей породы (100%) и количеством устойчивых к выветриванию и еще не разложенных минералов в корке выветривания (64,6%), что составляет 35,4%, т. е. примерно 1/3 первичной породы.

Общий баланс можно представить в виде следующей схемы:

В свою очередь гидролизат — полностью измененная часть породы — состоит из двух частей, одна из которых вынесена, а другая накопилась на месте в форме новообразованных минералов:

Таким образом, примерно 2/3 разложенного при гидролизе вещества подвергается выносу и только 1/3 накапливается в породе.

Объединив схемы 1 и 2, получим полный баланс вещества трахиандезита:

Баланс можно представить и в следующем виде:

Это позволяет представить эволюцию вещества трахиандезита в атмосферной зоне в виде схемы фиг. 9.

Химический состав гидролизата и основное распределение элементов. Теперь, когда после пересчета изоволюметрическим методом, нам стал известен состав вынесенных элементов, а также состав новообразований, легко определить химический состав гидролизата, пользуясь схемой (2) (табл. 14). Рассчитав состав гидролизата и сравнив его с составом свежего трахиандезита, можно определить, какая часть (в%) каждого элемента от его содержания в первичной породе была подвергнута гидролизу в процессе выветривания (табл. 15, колонка 4).

Мы уже знаем, какую часть от первичной породы составляют вынесенные элементы (табл. 13, колонка 5). Разница между содержанием гидролизованных элементов и количеством вынесенных элементов покажет, какая часть (по отношению к первичной породе) элементов накапливалась в твердой фазе (табл. 15, колонка 6).

Анализ перераспределения элементов позволил выделить три группы соединений:

1. Элементы, высвобождающиеся при гидролизе, полностью вынесенные: кремнезем (32% от первичного содержания), щелочные земли и щелочи.

2. Соединения, высвобождающиеся при гидролизе и полностью накопив шиеся в твердой остаточной фазе в форме аморфных гидратов: железо и титан

3. Алюминий занимает промежуточное положение, так как только часть его (35% всего гидролизованного алюминия) выносится из зоны, а другая, большая часть (65%) накапливается на месте главным образом в форме гидроокислов (бёмита AlO*ОН).

Итак, основными особенностями выветривания трахиандезита в верхней атмосферной зоне следует считать вынос кремнезема и катионов оснований, накопление всего железа, титана и части гидроокислов алюминия.

Изменение трахиандезита в зоне колебания уровня грунтовых вод. Прежде чем перейти к рассмотрению процессов изменения обломков трахиандезита в зоне колебания уровня грунтовых вод (фиг. 2), необходимо уточнить природу белого налета, который покрыл стенки в нижней части цилиндра прибора. Рентгеновский анализ белого налета, выполненный в процессе эксперимента, показал присутствие прекрасно окристаллизованного гиббсита Al(OH)3. По окончании эксперимента, когда удалось собрать около 14 мг белого порошка, были проведены повторные исследования. Была вновь получена дифрактограмма с рефлексами, характерными для гиббсита. Кроме них, наблюдались также рефлексы хорошо окристаллизованного гётита (фиг. 10, табл. 16). Таким образом, белый налет состоит из гиббсита с незначительной примесью гётита.

Изменение обломков в этой зоне характеризуется полным отсутствием следов ожелезнения. Обломки трахиандезита, первоначально имевшие серокоричневый цвет, становились в процессе эксперимента серовато-белыми, тусклыми и более хрупкими с поверхности, чем свежая порода, но не рассыпались в руках. Хотя толщина измененной оболочки не превышала 2 мм, ее удалось отколоть с помощью зубила. В табл. 17 приведены данные по химическому составу, магнитным свойствам и плотности неизмененного трахиандезита из центрального ядра обломков и верхней измененной оболочки.

При сравнении данных, полученных для свежей и измененной породы, сразу же обнаруживается, что изменения в зоне колебаний уровня грунтовых вод были значительно слабее, чем в верхней атмосферной зоне, и развивались несколько иначе, так как здесь не наблюдается ни выделения, ни накопления гидроокислов железа. Наоборот, сразу бросается в глаза четкое увеличение содержания Al2O3, казалось бы, не соответствующее количеству алюминия, которое высвободилось при разложении на месте. Однако не надо забывать, что это нижняя зона и что Al2O3 выносился из верхней атмосферной зоны (табл. 13, колонка 3). Кроме того, в нижней зоне мы наблюдаем выпадение почти чистого гиббсита на стенках цилиндра и бокового сифона прибора. Вполне вероятно, что гидроокисел алюминия выкристаллизовывался таким же образом и на поверхности обломков породы. Следовательно, можно предположить, что избыточный Al2O3 в верхней измененной оболочке обломков является аллохтонным и мы имеем здесь дело, как указывал Д’Оор, с абсолютным обогащением, т. е., другими словами, с обогащением за счет привноса вещества со стороны. Изучение верхней оболочки обломков рентгеновским методом позволило обнаружить некоторое количество гиббсита с рефлексами 4,79 А (ср-сл) — 2,45 А (сл) — 2,38 А (ср-сл), дающего на термической кривой слабый эндотермический пик при 350° С (фиг. 8, кривая 6).

Таким образом, для нижней зоны выветривания нельзя подвести геохимический баланс, как это было сделано для атмосферной зоны. Единственное, что оказалось возможным, это подсчитать количество вынесенного и привнесенного вещества в верхней оболочке, сравнив ее с неизмененной породой.

В целом, используя изоволюметрический метод, удалось установить, что вынос превышал привнос, так как общая сумма вынесенных из породы соединений составляет 11%.

Данные, приведенные в табл. 18, позволяют сделать следующие выводы:

- происходит существенное накопление алюминия (129% от содержания в первичной породе);

- очень слабо выносится железо (3%) и титан (7%); выносится значительное количество кремнезема, а также Na, К, Ca и Mg.

Это позволяет говорить с определенной степенью вероятности, что разложение породы в зоне колебания уровня грунтовых вод относилось к аллитному типу с накоплением новообразованных гидроокислов алюминия, хотя это не может быть доказано с достоверностью из-за наличия абсолютного обогащения (привнося извне).

Важной и четко определяющейся особенностью зоны колебания уровня грунтовых вод является следующее: среда в этой части прибора благоприятна для осаждения гиббсита Al(OH)3 совместно с гётитом FeO2H.