23.03.2018

Характерные особенности процессов выветривания


Минералогические особенности. С минералогической точки зрения в условиях земной поверхности в зонах выветривания при разложении первичных алюмосиликатов теоретически могут возникнуть минералы трех типов:

- глинистые минералы с двумя слоями кремнекислородных тетраэдров типа иллита или монтмориллонита, в которых отношение SiO2: Al2O3 равно примерно 3;

- глинистые минералы с одним слоем кремнекислородных тетраэдров типа каолинита с отношением SiO2: Al2O3, равным 2;

- гидроокислы алюминия типа бёмита AlO*OH или гиббсита Al(OH)3. Два первых типа — глинистые силикаты — характеризуются переслаиванием тетраэдрических слоев кремнезема с октаэдрическими слоями глинозема. Такие образования были названы Гаррасовицем сиаллиmaми. Третий тип минералов не содержит кремния. Гарросовиц предложил называть их аллитами, а процессы их образования — аллитизацией.

При экспериментальном выветривании, которое во всех опытах приводило к возникновению в остаточной твердой фазе новообразованных гидроокислов алюминия при полном отсутствии глинистых силикатов, по-видимому, ведущую роль играли процессы аллитизации.

Параллельно твердой остаточной фазе происходило накопление окислов и гидроокислов железа, освобождавшегося при разложении железо-магнезиальных минералов. Таким образом, процессы разложения, воспроизводимые в лаборатории, напоминают процессы латеритизации, которые описаны в тропических областях (или, согласно терминологии Робинсона, ферраллитизацию).

В табл. 45 приведены минералогические данные, полученные в лаборатории при изучении трахиандезита, базальта и гранита. Они позволяют сделать следующие выводы:

1. Разложение пород всех трех типов в атмосферной зоне выветривания приводит к новообразованию в коре выветривания бёмита AlO*OH и окислов и гидроокислов железа Fe2O3*nH2O (аморфные минералы, гематит).

2. В нижней зоне колебания уровня грунтовых вод прибора образование гиббсита Al(OH)3 и гётита FeO2H происходило только лишь в опытах с трахиандезитом и базальтом. При разложении гранита в течение такого же периода времени эти минералы не удалось получить. Трудно сказать, возникали бы они или нет при более продолжительном выветривании гранита.

3. Минералы, менее гидратированные (бёмит и гематит), кристаллизовались в атмосферной зоне выветривания, в то время как более гидратированные минералы (гиббсит и гётит) всегда характерны для зоны колебания уровня грунтовых вод. На первый взгляд тип новообразованных гидроокислов Al и Fe зависит от «гидрологии» среды.
Геохимические особенности. Геохимический баланс процессов выветривания пород, подведенный с помощью изоволюметрического метода, во всех опытах характеризуется следующими основными чертами:

- полным выносом кремнезема, щелочей и щелочных земель, высвобождающихся при разложении минералов; накоплением железа;

- промежуточным поведением глинозема и титана (табл. 13, 22, 30).

В 1923 г. Лакруа определил латеритизацию как «процесс выветривания всех алюмосиликатных пород, характеризующийся выносом щелочей, щелочных земель и кремнезема и формированием на месте окислов и гидроокислов алюминия, железа и титана».

На основании этого определения и полученных нами данных можно сделать вывод, что изменение пород в лабораторных условиях представляет собой процесс выветривания ферралитного типа. Единственным отличием (с геохимической точки зрения) является поведение алюминия, который в процессе эксперимента частично выносился. Аналитические «весовые» данные по природным процессам выветривания всегда указывали на полное сохранение алюминия в латеритных корах, что стало почти постулатом, на котором обычно основывались при подсчете баланса вещества при латеритном выветривании методом «изоалюминия». Однако Милло и Бонифас, применив изоволюметрический метод, показали, что алюминий в условиях тропиков также подвергается частичному выносу.

Морфологические особенности. Морфологические данные обычно уступают по своей значимости минералогическим и геохимическим данным. Однако они также представляют большой интерес, поскольку позволяют сравнивать результаты экспериментов с результатами изучения природных объектов.

Лакруа при изучении латеритных образований описал структуры тропической коры выветривания. Он отмечал, что корка разложенной породы, находящаяся в непосредственном контакте со свежей породой, сохраняла первичную структуру материнской породы, хотя и становилась сильно пористой.

При экспериментальном выветривании в зависимости от структуры первичной изверженной породы наблюдалось развитие двух типов «латеритной коры»:

1. Корок, напоминающих фацию «пряника», характерных для пород с микролитовой структурой (трахиандезит и базальт).

2. Корок с ноздреватой пористой структурой «типа пемзы», характерных для гранита.

Структуры экспериментальных кор выветривания сходны со структурами, выделенными Лакруа для природных образований.

Таким образом, наблюдается совпадение минералогических, геохимических и морфологических особенностей процессов экспериментального изменения пород и тропического выветривания ферраллитного типа.
Роль геохимических параметров. Молекулярное отношение Ki = SiO/Al2O3 экспериментальных корах выветривания (твердой остаточной фазе). Параметр Ki = SiO2/Al2O3 был впервые использован в 1926 г. Гаррасовицем при изучении остаточных продуктов выветривания. При этом было установлено, что Ki = 2 характеризует чистый каолинит, a Ki < 2 указывает на присутствие свободного Al2O3, т. е. на типично латеритный материал.

Изучение большого количества кор выветривания тропических областей позволило выделить на основании величины отношения SiO2:Al2O3 три типа продуктов латеритного выветривания:
Впоследствии отношение SiO2 : Al2O3 стало широко применяться не только для разделения латеритных пород на типы, но и для определения типа выветривания. С этой точки зрения отношение Ki < 2 стали рассматривать как указание на ферраллитизацию пород, тогда как величина Ki > 2 говорила об их сиаллитизации.

В табл. 47 приведены величины параметра Ki для кор экспериментального выветривания. Хорошо видно, что отношение SiO2/Al2O3 < 2 характерно только для коры выветривания базальта. Таким образом, выветривание трахиандезита и гранита с этой точки зрения нельзя относить к латеритному типу (Ki > 2). В то же время минералогические, геохимические и морфологические данные указывают на латеритный тип выветривания всех трех типов пород.
Естественно, напрашивается вывод, что для установления минералогического типа выветривания нельзя пользоваться только одним параметром Ki. Величина отношения SiO2/Al2O3 зависит от ряда факторов и в особенности от количества гидролизата, т. е. той части исходной породы, которая подверглась полному разложению при выветривании (табл. 47, колонка 3).

В качестве примера нами были определены для одного типа породы — трахиандезита из Вольвика — возможные колебания величины параметра Ki в зависимости от степени изменения породы при выветривании, т. е. от количества гидролизата, полученного в результате выветривания. При этом допускалось, что весь алюминий оставался на месте, а изменение алюмосиликатной первичной породы могло идти по трем направлениям: с образованием продуктов либо типа гидрослюд (монтмориллонита), либо типа каолинита, либо гидроокислов алюминия типа бёмита (гиббсит).
На фиг. 23, где по оси абсцисс нанесены значения отношения SiO2/Al2O3,, а по оси ординат — количество разложенного материала (в % от первичной породы), ясно видно, что одному и тому же значению Ki могут соответствовать в зависимости от степени выветривания разные процессы. Например, значение SiO2/Al2O3 = 3 указывает на полное разложение трахиандезита (100%), если под этим понимать его гидрослюдизацию, на его частичное разложение в случае каолинитового выветривания (68%) и при процессе аллитизации (48%). Другой пример: величина Ki = 2,5 соответствует разложению лавы на 82%, если мы имеем дело с каолинизацией, и на 52%, если идут процессы аллитизации.

Следовательно, по величине отношения SiO2/Al2O3 нельзя однозначно определить тип выветривания, если в составе остаточных продуктов сохранились неразложенные первичные минералы. Другими словами, пользоваться с определенной достоверностью отношением SiO2/Al2O3 можно только в том случае, если твердая остаточная фаза представляет собой на 100% гидролизат. Во всех других случаях отношение SiO2/Al2O3 не позволяет уверенно определить основное направление процесса выветривания.

Молекулярное отношение L = SiO2/Основания в фильтратах выветривания.
Выше, при описании фильтратов, мы уже обращались к коэффициенту L = SiO2/Mg+CaO+Na2O+K2O, который является как бы геохимическим аналогом параметра Ki для твердой остаточной фазы выветривания. Остается более подробно проанализировать роль этого параметра при геохимическом анализе процессов выветривания. Геохимический анализ основных процессов поверхностного выветривания показывает, что возникновение среди остаточных продуктов минералов того или иного типа зависит главным образом от динамики поведения кремнезема. Так, например, аллитизацию породы расшифровывают как результат полного удаления кремнезема и катионов основания (Mg, Ca, Na, К), тогда как каолинизация происходит при частичном выносе первичного кремнезема породы и полном удалении оснований. Поэтому при изучении фильтратов удобно пользоваться коэффициентом L = SiO2/Основания и сравнивать его систематически с его аналогом в исходных породах коэффициентом R = SiO2связан/Основания.

Как мы видели, при аллитизации L>R; это означает, что для развития такого рода процесса выветривания вынос молекулярного кремнезема должен быть относительно выше или, во всяком случае, быть равным выносу оснований из первичной породы. И напротив, если L<R, это значит, что в процессе разложения кремнезем выносился относительно слабее, чем основания, примерно в таких соотношениях, как при процессах сиаллитизации.
Величины коэффициентов, полученные по данным трех опытов (табл. 48), показывают, что во всех случаях L > R, хотя количество гидролизата, т. е. полностью разложенной породы, в каждом опыте было различным.

Таким образом, геохимический коэффициент L = SiO2/Основания подтверждает, что экспериментальное выветривание всех пород на любом этапе их изменения можно отнести к ферралитному типу.

Для количественной оценки влияния химического состава материнской породы на характер процессов разложения удобно пользоваться коэффициентом N, который представляет собой отношение L/R. Как следует из табл. 48, значения N убывают при увеличении коэффициента R породы, а это означает, что при одинаковых гидродинамических и температурных условиях вынос кремнезема будет происходить тем легче, чем меньше величина R породы, т. е. чем меньше она содержит кремнезема. Эксперимент подтвердил давно известное положение, что ферраллитизации легче поддаются породы, менее богатые кремнеземом.

Гиббсит прежде всего появился в опыте с базальтом, несколько позднее в опыте с трахиандезитом, а в опыте с гранитом так и не был обнаружен.

Определение величины коэффициента L всех фильтратов подтверждает ферраллитную природу изменения пород трех опытов и в то же время уточняет ту существенную роль, которую играет первичная обогащенность исходного материала кремнеземом для проявления и дальнейшего развития процессов латеритного выветривания.

Таким образом, геохимическое отношение SiO/Основания изучения явлений разложения пород, так как оно позволяет, не касаясь остаточной фазы выветривания, определить тип любого выветривания в любой момент его развития.

Сравнение с природной средой.
Для того чтобы закончить анализ экспериментальных данных, необходимо сравнить железистые корки, полученные в лаборатории, с корами выветривания пород, наблюдающимися в природе, имеющими сходный химический состав и представляющими собой типично ферраллитные образования.
Примеры, взятые из работ, посвященных этому вопросу, приведены в табл. 49, 49а и 50. Основные породы в этом смысле оказались самыми удобными, так как их разложение в лаборатории происходило очень быстро и наблюдавшиеся процессы по своему типу были отчетливо ферраллитными. Латеритные коры выветривания базальта с Мадагаскара, описанные Лакруа, а также коры выветривания базальта из Камеруна, изученные Лаплантом, очень напоминают железистые корки, полученные нами экспериментально (табл. 49). Кроме того, Хаттон и Стефенс, ознакомившись с нашими результатами по экспериментальному выветриванию, привели данные о химическом составе почв, развитых на базальтах острова Норфолк в Тихом океане, которые оказались очень близки к экспериментальным (табл. 49а).

В случае первичных пород, более богатых кремнеземом, экспериментальное выветривание протекает значительно слабее, и для подтверждения ферраллитного процесса данных одного химического анализа недостаточно. Однако нам удалось найти в тропических областях характерные примеры кор выветривания, в которых были обнаружены продукты латеритного выветривания, несмотря на относительно слабое разложение пород, соответствующее примерно той же стадии, какая была достигнута в наших опытах (табл. 50).
Примером разложения средних пород может служить профиль выветривания, наблюдающийся на кварцевых диоритах Гвианы и описанный Гаррисоном. Экспериментальная охристая корка трахиандезита больше всего напоминает зону IX этого профиля, которая находится на расстоянии 50 см от свежего диорита, т. е. непосредственно выше зон IV и V, названных Гаррисоном зоной начальной латеритизации. Здесь, так же как и в экспериментально полученной корке, изменение пород можно отнести к латеритному типу, хотя отношение SiO2/Al2O3 > (4,3).

Степень выветривания гранита была настолько слабой, что возникшие остаточные продукты больше напоминали образования северных широт, а не тропиков. Однако в природе в тропических областях существуют аналоги таких образований. В качестве примера можно привести описанную Лёнёф железистую корку очень слабо измененного гранита из Диво (Берег Слоновой Кости), которая тем не менее содержит гиббсит, каолинит и гётит. Так же как и в случае пород среднего состава, выветривание имеет отчетливо ферраллитный характер (табл. 50), хотя Ki > 2 (8,0), а степень разложения породы очень слабая.

Таким образом, близость результатов экспериментальных исследований и данных изучения природного тропического выветривания свидетельствует об единой направленности этих процессов. Интенсификация процессов в лабораторных условиях, вызванная повышением температуры и увеличением степени дренажа, не изменяет их общего характера. Это указывает на большие возможности экспериментального метода при систематическом изучении процессов выветривания.





Яндекс.Метрика