Изучение базальта

Изменение базальта в зоне атмосферного выветривания. Физическая и структурная характеристики корки выветривания (фиг. 11). Макроскопическое изучение обломков базальта из атмосферной зоны прибора показало, что ржавый налет редко развивался по всей их поверхности. Чаще всего ожелезнение локализовалось или на тех сторонах обломков, на которые постоянно сверху падали капли, или там, где по той или иной причине все время присутствовала пленка воды.

После того как некоторое количество обломков было разрезано, выяснилось, что средняя толщина охристой корки выветривания у базальта несколько меньше, чем у трахиандезита; она не превышала 2—3 мм. Оболочка, переходная от охристой поверхностной корки к центральному ядру неизмененного базальта, всегда очень резко выражена, но настолько тонка, что макроскопически выделить какую-либо промежуточную зону невозможно.

Эти первые наблюдения позволяют сделать предварительный вывод, что проникновение процессов разложения в глубь обломков и формирование поверхностной охристой оболочки для базальта существенно затруднены по сравнению с лавой, обладающей пористой текстурой. По всей вероятности, здесь определенную роль играет плотность базальта.

Полностью ожелезненная поверхностная охристая корка составляет приблизительно 5% от веса первичной породы. Базальт становится хрупким и пористым, но сохраняет свою первичную структуру, несмотря на почти полное исчезновение железо-магнезиальных минералов, замещающихся изотропным бурым веществом. Морфологически и структурно охристая корка представляет собой фацию «пряника» Лакруа.

Часть охристой корки удалось отделить в виде сцементированных кусочков, позволяющих определить объемый вес. В остальных случаях материал был собран в виде порошка, так как местами корка легко рассыпалась в руках. Вещество корки было проанализировано, так же как и охристая корка трахиандезита. Полученные данные, представленные в табл. 19, позволяют сделать следующие выводы:

1. Объемный вес охристой корки резко уменьшается по сравнению с объемным весом свежего базальта; происходит вынос 59% вещества первичной породы, т. е. более половины ее.

2. Магнитная восприимчивость в охристой корке возрастает, что также объясняется относительным накоплением первичных магнитных минералов, устойчивых к выветриванию. Во фракции 20—100 мк отмечается повышенное содержание магнетита.

3. Промежуточная по размерности фракция (от 2 до 100 мк) составляет 82% продуктов выветривания. Характер изменения базальта примерно такой же, как и лавы из Вольвика.

Минералогическая характеристика. Различные фракции охристой корки и вещество центрального ядра обломков — неизмененный базальт — были изучены с помощью рентгеновского и дифференциального термического анализов.

Охристая корка А. Во фракции <2 мк были определены следующие новообразованные минералы:

Бёмит AlO*ОН, хорошо окристаллизованный, с типичными рефлексами 6,04 А (с) - 3,16 А (с) — 2,34 А (ср) — 1,85 А. (ср ) — 1,45 А (ср )

Небольшое количество гематита Fe2O3, с рефлексами 3,66 А (сл) — 2,69 А (ср) — 2,50 А (ср) — 1,83 А (ср) — 1,69 А (сл).

Аморфные гидроокислы железа состава Fe2O3*H2O. с экзотермическим пиком около 330° С на кривой ДТА (фиг. 12, кривая 1).

Во фракции 2—20 мк бёмит еще фиксируется рентгеновским методом и ДТА (эндотермический пик при 515° С на фиг. 12, кривая 74—75), так же как гематит и аморфные гидроокислы (экзотермический пик при 350° С на фиг. 12, кривая 2). Кроме того, отмечается присутствие магнетита и некоторого количества полевых шпатов.

Во фракции > 20 мк также еще присутствует немного бёмита и гематита, но преобладают полевые шпаты и магнетит (рефлексы 4,85 А (ср) — 2,53 А (с) — 2,10 А (ср ) — 1,62 А (с) — 1,49 А (с).

Центральное ядро С (неизмененный базальт). В центральной части обломки представлены абсолютно свежей породой, содержащей все первичные минералы базальта.

Таким образом, разложение базальта в экстракторе «Сокслет» привело к возникновению некоторого количества новых минералов в твердой остаточной фазе выветривания. Для алюминия это гидроокислы типа бёмита, для железа — аморфные гидроокислы, а также окристаллизованный окисел типа гематита.

Изменение химического и минерального составов базальта. Сравнение химических составов охристой корки и свежего базальта центрального ядра показывает, что поверхностное изменение породы было очень интенсивным (табл. 20). Основные характерные черты выветривания базальта — сильный вынос кремнезема при одновременном значительном накоплении алюминия, железа и титана.

Отношение SiO2 : Al2O3 изменяется от 6,3 в центральном ядре до 1,8 (т. е. ниже 2) в охристой корке, а отношение SiO2 : R2O3 — от 3,5 до 0,9.

Приблизительный минеральный состав, полученный в результате пересчета химического состава, указывает на относительно высокое содержание свободных окислов алюминия (17,3%), железа (26,6%) и титана (8,2%), связанное с остаточным накоплением (табл. 21).

Таким образом, поверхностная оболочка обломков базальта (твердая остаточная фаза выветривания) состоит по весу на 47,9% из первичных, еще не измененных и устойчивых к выветриванию минералов и на 52,1% из новообразованных минералов (элювиат).

Использовав изоволюметрический метод, можно подвести количественный баланс выветривания базальта в атмосферной зоне экстрактора «Сокслет», характеризующийся следующими особенностями (табл. 22):

- сильным выносом (70—80% от первоначального состава) кремнезема, щелочей и щелочных земель;

- накоплением всего железа (99,3%) в форме аморфных гидроокислов и гематита;

- промежуточным поведением алюминия и титана, которые частично выносятся, а частично накапливаются в твердом остатке (бёмит — гидроокислы титана) (табл. 22).

Так как при атмосферном выветривании базальта наблюдается такой же характер изменения первичного вещества, как и у трахиандезита, при подведении общего баланса выветривания базальта можно воспользоваться тем же способом, который мы уже применяли при анализе данных для трахиандезита.

Геохимический баланс атмосферного выветривания базальта. Общий баланс. Подсчеты, выполненные изоволюметрическим методом, показывают, что свежий базальт в атмосферной зоне экстрактора «Сокслет» потерял в результате выветривания 59% своего состава (фильтрат). Охристая корка (твердая остаточная фаза) составляет 41% и состоит на 47,9% из неразложенных и устойчивых первичных минералов и на 52,1% из новообразованных компонентов. Если осуществить пересчет на свежий базальт, приняв его за 100%, то получим, что в твердой остаточной фазе содержится 19,6%-первичных минералов и 21,4% новообразованных минералов. Зная, какой процент от свежей породы составляют устойчивые и неразложенные первичные минералы (19,6%), можно вычислить, какая часть породы в поверхностной оболочке подверглась полному разложению. Гидролизат составляет 80,4%, т. е. приблизительно 4/5 породы. Общий баланс будет иметь следующий вид:

Элементы, высвободившиеся при разложении породы, распределялись следующим образом: 3/4 было вынесено с фильтратом, a 1/4 накопилась. Объединив схемы (1) и (2), получим следующее отношение:

С учетом минерального состава общий баланс выветривания можно изобразить в виде следующей схемы:

Эволюция породы в атмосферной зоне представлена на фиг. 13.

Степень разложения первичных минералов. Выветривание базальта, затронувшее 80,4% вещества первичной породы, было очень интенсивным. Интересно оценить степень «разрушаемости»

каждого из минералов, слагающих породу. Данные, позволяющие произвести такой расчет, приведены в табл. 23. Таблица показывает, что:

1) выветривание железо-магнезиальных минералов и известковистых плагиоклазов было очень интенсивным (свыше 80%);

2) разложение калиевых полевых шпатов было несколько слабее;

3) непрозрачные магнитные минералы не претерпевали изменения.

Химический состав гидролизата выветривания и общее распределение элементов. Химический состав гидролизата выветривания в целом можно легко восстановить, суммировав характеристики химического состава фильтрата и новообразований в твердом остатке выветривания (табл. 24). Сравнив в свою очередь эти результаты с химическим составом свежего базальта центрального ядра, мы получим данные о распределении элементов при выветривании (табл. 25). Динамика поведения основных химических элементов в процессе атмосферного выветривания базальта позволяет разделить их на три группы:

1. Элементы, которые после разложения были полностью вынесены: кремнезем, удаленный на 80% по отношению к его первоначальному содержанию в породе, а также щелочи и щелочные земли.

2. Железо, которое почти полностью накапливалось (99%) в твердой остаточной фазе в форме аморфных гидроокислов и гематита.

3. Алюминий и титан, часть которых выносилась с водами выщелачивания, а часть накапливалась на месте в виде бёмита AlO*OH и аморфных гидроокислов TiO2*nН2O. Алюминий и титан, оставшиеся на месте, составляют соответственно 67 и 77% от общего их количества, высвободившегося из породы при гидролизе.

В заключение можно сказать, что геохимически процессы выветривания базальта в атмосферной зоне экстрактора «Сокслет» очень близки к уже описанным процессам выветривания трахиандезита.

Изменение базальта в зоне колебания уровня грунтовых вод. Белый налет на стенках цилиндра прибора в его нижней части в зоне колебания уровня грунтовых вод появился через два месяца после начала эксперимента (фото 6). Далее на протяжении последующих восьми месяцев из цилиндра систематически брали небольшие количества белого минерала для минералогического изучения. Дифрактограмма (фиг. 14) подтвердила присутствие почти чистого гиббсита. Химический анализ:

показал, что количество гиббсита в новообразованной фазе составляет 88%, так как чистый гиббсит имеет следующий состав: H2O 34,6%, Al2O3 65,4%.

По окончании эксперимента было проведено еще одно рентгеновское изучение белого компонента. Дифрактограмма подтвердила присутствие хорошо окристаллизованного гиббсита, наряду с которым в небольшом количестве присутствовал гётит FeO2H с характерными рефлексами 4,17 А (ср-сл) — 2,93 А (сл) и др. (фиг. 15).

Таким образом, новообразованные минералы, осевшие на стекле цилиндра прибора, так же как и в эксперименте с трахиандезитом, были представлены гиббситом с небольшой примесью гётита.

На обломках базальта, находившихся в зоне колебания уровня грунтовых вод, к концу эксперимента появилась серовато-коричневая хрупкая корка толщиной около 2 мм.

Никаких следов ожелезнения в обломках не отмечено.

Поверхностная серовато-коричневая оболочка обломков была отобрана и проанализирована. В табл. 26 приведены данные анализа новообразованной корки и неизмененной породы из центрального ядра обломков. Рентгеновский метод и ДТА подтвердили наличие гиббсита с типичными рефлексами 4,80 А (сл) — 2,45 А (ср) и др. и эндотермическим пиком на термограмме 300° С (фиг. 16, кривая 1).

Трахиандезит и базальт в зоне колебания уровня грунтовых вод характеризуются сходной динамикой поведения химических элементов. Алюминий, вынесенный из обломков верхней атмосферной зоны, обусловливает абсолютное обогащение в нижней зоне прибора. Подсчеты, произведенные изоволюметрическим методом, показали, что из поверхностной корочки базальта было вынесено 13,3% от его первоначального состава (табл. 27). При этом происходил вынос кремнезема и катионов оснований; содержание железа и титана оставалось неизменным, а содержание Al2O3 возросло за счет новообразования гиббсита (126%).

Таким образом, в зоне колебания уровня грунтовых вод базальт изменяется аналогично трахиандезиту.