Характерные особенности опытов выветривания в присутствии СО2

Введение. При постановке серии опытов для выяснения особенностей выветривания пород в различных физико-химических условиях мы пытались в первую очередь выяснить, какую специфическую роль играет в этих процессах углекислый газ.

CO2 представляет собой постоянную составляющую атмосферы, в которой его содержание, обусловленное динамическим равновесием, достигает примерно 3*10в-4. Кроме того, CO2 — обычный компонент природных вод, где его концентрация меняется в зависимости от условий от минимальной, равной 2—5 мг/л в поверхностных водах, до 90—180 мг/л в подземных водах. CO2 чрезвычайно характерен для областей действующего вулканизма; здесь он может давать высокие концентрации в фумарольных эманациях (мофеттах) или в глубинных источниках. В нашу эпоху углекислый газ является постоянным компонентом биосферы. Трудно сказать, присутствовал ли он в атмосфере прошлых эпох; однако, по мнению некоторых исследователей, содержание CO2 в атмосфере в самые древние геологические периоды было гораздо выше, чем в настоящее время.

Роль CO2 в процессах поверхностного выветривания в течение длительного времени являлась предметом многочисленных дискуссий. Это в какой-то мере стимулировало систематическое изучение влияния CO2 на породы. Одна группа исследователей приписывала углекислому газу ведущую роль в разложении минералов, тогда как их противники отрицали это, считая CO2 второстепенным фактором. Ведущую роль в процессах химического выветривания они отводили гидролизу. Чаще всего такие противоположные точки зрения высказывались в связи с более частными вопросами, касающимися явлений каолинизации, латеритизации и бокситизации.

Так, например, Гагель и Стрем, Линдгрен, Цвеч и другие авторы считали CO2 основным агентом при разложении пород с образованием каолинита. Витч, Кэмпбелл, Moop, Ван Шюленборг и другие приписывали CO2 существенную роль при процессах латеритизации в тропических областях. И наконец, такие авторы, как Сабо, Хоуз и особенно Аллен рассматривают CO2 как важный фактор образования бокситов.

Воздействие CO2 на породы изучалось и экспериментальным путем. Многочисленные опыты были поставлены Добрэ, Фиттбогеном, Миллером, Сестини, Дюмоном, Дайкухара, Таммом и Шатонье. Все работы выполнялись примерно по одному плану: одни и те же минералы помещали на определенный период времени в постоянный объем дистиллированной воды и воды с CO2 в условиях повышенных температур. Затем результаты двух опытов сравнивали между собой. В каждом случае определялись элементы, перешедшие в раствор. Полученные результаты всегда показывали, что вода с CO2 обладает более сильными растворяющими свойствами, но никто из исследователей не наблюдал каких-либо новообразованных минералов в материале, который подвергался обработке. И только сравнительно недавно Лагашу с соавторами удалось получить новообразованный бёмит при разложении полевого шпата типа альбита в условиях, близких к гидротермальным (t = 200° С, Робщ = 25,7 атм, PСО2 = 9,7 атм). Эти результаты были подтверждены работами Вайяра, Оберлен и Чубаря, которые с помощью метода дифракции электронов показали, как формируется новообразованный бёмит.

В нашем эксперименте мы пытались выяснить роль CO2 в выветривании пород в условиях давления и температуры, по возможности близких к природным, при продолжительном воздействии постоянно фильтрующейся через породу воды, содержащей CO2.

Условия опытов. Общая схема экспериментальной установки детально описана ранее; здесь следует остановиться лишь на уточнении некоторых условий, специфических для этой группы опытов.

Петрографический состав пород. Воздействию воды с CO2 подвергались только два крайних типа пород: гранит и базальт. Главный цилиндр прибора «Сокслет» заполнялся полностью, как и в предыдущих опытах, но обломки имели меньший размер. В первом эксперименте были взяты крупные обломки, чтобы показать все возможности лабораторного метода изучения процессов выветривания на примере массивных пород, а не их порошков, как это делалось до сих пор. В результате первый эксперимент длился довольно долго, так как из-за большого размера обломков общая площадь их соприкосновения с водой была недостаточно велика, а следовательно, и процесс разложения развивался медленно. По этой причине во всех последующих опытах было решено увеличить поверхность соприкосновения породы с водой, для того чтобы сократить общую продолжительность экспериментов. Для этого в нижнюю часть цилиндра прибора помещали обломки со средним диаметром 10 мм (общим весом 50 г), а остальная часть цилиндра заполнялась обломками размером от 2 до 4 мм.

Общий вес гранита составил, таким образом, 310 г, а базальта 425 г.

Температурные и гидрометрические условия. Температура (65—70°) и гидрометрические условия (234 мм рт. ст.) опыта с CO2 были такими же, как и в основном эксперименте. Что касается количества осадков, то оно было в этом опыте несколько выше: 5 л, или 2550 мм, в день, что соответствует часовой интенсивности 105 мм (можно сравнить с табл. 6). Ho режим выпадения осадков оставался прежним, т. е. характеризовался главным образом непрерывностью и постоянством. Следовательно, в этом опыте климатические условия в целом соответствовали тропическому типу.

Физико-химические условия. Физико-химические параметры среды опыта были совершенно иными, чем в основном эксперименте с дистиллированной водой и обычным воздухом.

Экспериментальная установка в общем осталась без изменения, не считая тонкой трубки, подведенной к верхней части холодильника, которая должна была обеспечить постоянное поступление CO2 в цилиндр прибора (фиг. 3). В таких условиях атмосфера экстрактора «Сокслет» содержит только углекислый газ и пары воды (PН2O — 0,7 атм, PСО2 = 0,3 атм) и совершенно лишена кислорода; вода, конденсировавшаяся в такой атмосфере, постоянно насыщалась CO2. В результате при температуре 70° С возникал раствор, содержавший около 400 мг/л, или 0,01 M углекислого газа, что вполне сравнимо с содержаниями CO2, нередко встречающимися в природных водах. Неоднократно замеренные значения pH колебались обычно от 4,0 до 4,2. В табл. 56 приведены характеристики воды в опыте с CO2, а также для сравнения некоторые данные по природным водам и воде первого эксперимента.

Таким образом, выветривание пород в этом опыте проводилось в инертной среде (с точки зрения окислительно-восстановительных процессов) при фильтрации вод кислого типа.

Основное направление процесса выветривания. С самого начала опытов вода, содержащая CO2, вызывала заметное изменение обломков пород, о чем свидетельствуют величины pH вод выщелачивания, замеренные в момент их слива в колбу-приемник (табл. 57). Переход в раствор некоторого количества элементов в форме бикарбонатов происходит очень быстро, вследствие чего фильтрат в колбе-приемнике быстро становится щелочным и слегка опалесцирует.

Однако суспензия становится не молочной, как это наблюдалось в первой серии опытов с чистой водой, а приобретает характерный зеленоватый оттенок. Такая окраска обусловлена возникновением большого количества мельчайших новообразованных частиц зеленого цвета, которые в виде агрегатов в конце концов выпадают в осадок на дно колбы. Этот процесс наблюдается на протяжении всего опыта. Для того чтобы сохранить один и тот же ритм кипения фильтрата в колбе-приемнике, приходилось, как и в предыдущих опытах, периодически сливать (обычно через каждые 100 л раствора) упаренный фильтрат и заливать в колбу свежую дистиллированную воду.

Макроскопические наблюдения над обломками пород в цилиндрах, проводившиеся постоянно в течение всего опыта, были гораздо менее результативными, чем в основном эксперименте, так как визуально трудно было заметить появление новых достаточно характерных особенностей.

Базальт (фиг. 24). В атмосферной зоне обломки базальта постепенно теряли свой первоначальный черный цвет и становились светло-серыми. Через некоторое время можно было заметить: 1) появление в самой верхней части зоны неравномерно рассеянного точечного ожелезнения и 2) образование в этой же части зоны кое-где на поверхности обломков белого налета. На первый взгляд между этими двумя образованиями нет непосредственной связи, так как белый налет встречается на обломках базальта как покрытых ржавыми точками, так и лишенных их. В зоне колебания уровня грунтовых вод одновременно с изменением черного цвета обломков базальта в серовато-беловатый наблюдается образование белого налета на стенках цилиндра прибора, как это отмечалось в основном опыте.

Гранит. Чаще всего его обломки сохраняют обычную серую окраску; полевые шпаты становятся тусклыми, а листочки биотита не изменяют свой черный цвет. Однако в атмосферной зоне можно отметить появление некоторого количества ржавых точек, обычно приуроченных к пластинкам слюды. В отличие от опыта с базальтом здесь никогда не наблюдалось образования белого налета на стенках цилиндра экстрактора «Сокслет».

Опыт по обработке базальта и гранита водой с CO2 продолжался и тогда, когда макроскопически никаких новых изменений не отмечалось. Прибор с гранитом функционировал 13 месяцев, а с базальтом — 18 месяцев. За это время через породы профильтровалось соответственно 2000 и 2750 л воды с растворенным CO2.