23.03.2018

Геохимическое изучение продуктов выветривания


Экспериментальные данные. Опыт с базальтом. Выветривание в атмосферной зоне. После того как обломки пород были вынуты из цилиндра прибора, в первую очередь были изучены белые примазки с поверхности обломков из верхней части зоны. При обработке их соляной кислотой не наблюдалось никакого выделения газа, но слегка подогретая кислота вызывала слабое вскипание вещества. Это указывает на отсутствие классического чистого кальцита, что подтвердилось при рентгеновском изучении. На диаграмме, кроме диффузного кольца в районе 3,60 А, присутствовали четкие рефлексы 2,96 А (ср) — 2,78 А (сл) — 2,45 А (сл) — 1,87 А (сл), которые не встречаются на диаграммах кальцита. Они характерны для магнийсодержащих карбонатов типа [Ca1-хMgх]CO3, где 0 < х < 1. Закон Beгapa позволяет объяснить замену на рентгенограммах одних рефлексов другими по мере замещения в карбонате Ga на Mg. В этом случае особенно типично поведение отражения (в гексагональной системе), которое для чистого кальцита составляет 3,03 А. Пользуясь диаграммой Голсмита и Графа, можно вычислить молекулярное содержание MgCO3 в кальците. В нашем случае оно составляет 20 мол.% MgCO3.
Химический анализ белого осадка, предварительно высушенного в сушильном шкафу при 150° С, позволил определить его полный состав и рассчитать структурную формулу (табл. 58). Состав осадка [Ca0,81Mg0,19]СО3 хорошо согласуется с данными кристаллографического определения. Кроме того, анализ обнаружил присутствие значительного количества гидратированного кремнезема, чем и объясняется появление диффузного кольца на рентгенограмме около 3,60 А, что в свою очередь указывает на его аморфность. Итак, оказалось, что белый налет, покрывающий поверхность некоторых обломков в самых верхах атмосферной зоны, состоит из смеси 25,1% магнезиального кальцита состава (SlCaCO3, 19MgCО3) и 74,9% аморфного гидратированного кремнезема.
Некоторые кусочки из атмосферной зоны были разбиты на более мелкие обломки, для того чтобы можно было определить толщину выветрелой зоны. При этом обнаружилась поверхностная корка сероватого цвета, иногда слабо ожелезненная, сравнительно пористая и даже хрупкая, но не до такой степени, чтобы ее можно было растереть пальцами в порошок. Граница между коркой выветривания и центральным ядром — черным плотным свежим базальтом — очень резкая. К сожалению, из-за малого диаметра обломков не удалось получить кусочек корки достаточного размера для определения объемного веса, как это мы делали в первой серии опытов, что позволило бы нам подвести общий геохимический баланс процесса. В данном случае пришлось ограничиться изучением порошка корки, составлявшей приблизительно 10% каждого обломка. Следует отметить, что выбор обломков пород меньшего диаметра для ускорения процессов выветривания не позволил провести детального геохимического изучения. Поэтому для получения исчерпывающих данных о экспериментальном выветривании всегда следует отдавать предпочтение более продолжительным опытам с крупными обломками пород.

Определение новообразованных минералов в корке выветривания обломков производилось обычными методами. Были обнаружены следующие минералы:

Бёмит AlO-ОН, установленный по рефлексам 6,11 А (ср) — 2,35 А (ср) — 1,85 А (сл) — 1,45 А (сл) и по эндотермическому пику при температуре 450° С на кривой ДТА (фиг. 25, кривая 1).

Аморфный железистый гель типа Fe2O3*nH2O, характеризующийся экзотермическим пиком на кривой ДТА при 320° С.
Присутствие богатого Mg кальцита в самой корке выветривания не было доказано. По-видимому, карбонаты представляют собой осадочное поверхностное образование, имеющее очень ограниченное распространение.

Сравнение химических анализов поверхностной корки выветривания и центрального неизмененного ядра обломков указывает на отчетливое изменение породы (табл. 59). Отмечается заметный вынос кремнезема и щелочных земель, значительное накопление Al2O3, что соответствует возникновению бёмита.

Изменения в зоне колебаний уровня грунтовых вод. Прежде всего было проведено рентгеновское изучение белого налета, образовавшегося на стенках цилиндра прибора. На рентгенограмме отмечаются многочисленные рефлексы: 4,79 А (сл), 4,33 А (с), 3,30 А (ср), 2,45 А (ср), 2,37 А (ср), 2,03 А (ср), 1,98 А (ср), 1,79 А (ср) и 1,45 А (ср), типичные для чистого и хорошо окристаллизованного гиббсита.

Затем с поверхности обломков была собрана в виде порошка поверхностная корка выветривания сероватого цвета. Изучение показало присутствие гиббсита с характерными рефлексами 4,79 А (ср), 4,33 А (ср), 2,45 А (ср), дающего глубокий эндотермический пик на ДТА при 305° С (фиг. 25, кривая 3). Кроме того, на этой же кривой ДТА наблюдается слабый эндотермический пик при 420—440° С, который может указывать на присутствие незначительного количества бёмита.

Химические определения свидетельствуют о том, что в этой зоне происходило даже более значительное накопление Al2O3, чем в атмосферной зоне (табл. 60). Кремнезем и щелочные земли претерпевают здесь сравнительно сильный вынос.
Изучение фильтратов выветривания. Фильтрат, образующийся в результате промывания базальта водой в присутствии CO2, периодически удалялся из колбы-приемника. Таким образом, можно было регулярно производить определение интенсивности выноса путем взвешивания прокаленного сухого остатка (за вычетом воды гидратации и поглощенного CO2). Было установлено, что на протяжении всего опыта количество сухого осадка составляло 12,8 мг/л. Исходя из этого можно вычислить сначала общее количество вынесенного вещества за время опыта, а затем истинное его количество (в % от веса исходной породы) (табл. 61). Это последнее составляет 8,3%, что говорит об очень интенсивном выветривании обломков базальта в условиях опыта.
Средний химический состав всего фильтрата позволил рассчитать содержания химических компонентов в 1 л (табл. 62), а также степень выноса каждого химического компонента (в %) по отношению к исходной породе (табл. 63).
Полученные данные позволяют следующим образом охарактеризовать динамику процессов выветривания базальта в присутствии CO2:

1) значительный вынос кремнезема, щелочей и щелочных земель.

Отношение L = SiO2/Основания, равное 1,59, больше, чем отношение R = 1,55 исходного базальта, т. е, кремнезем в этом опыте выносился относительно сильнее, чем основания;

2) заметный вынос железа (5,7% от первоначального содержания), 67% которого находится в закисной форме. В этом заключается основное отличие от результатов опыта с дистиллированной водой;

3) очень слабый вынос Al2O3 (особенно по сравнению с первой серией опытов).

В целом изучение фильтрата подтвердило ту основную геохимическую направленность процесса, которая наметилась уже при изучении твердых продуктов выветривания.
Заключение. Экспериментальное выветривание базальта в присутствии CO2, если его рассматривать в общем виде, привело в результате: 1) к почти полному накоплению в остаточной фазе алюминия, высвободившегося при разложении алюмосиликатов; в атмосферной зоне выветривания свободный алюминий образует гидроокисел типа бёмита, а в зоне колебания уровня воды — гиббсит; и 2) к интенсивному выносу кремнезема, щелочных земель и щелочей.

Железо по своему поведению занимает промежуточное положение; небольшая его часть накапливается в твердой фазе с образованием гидроокислов бурого цвета, в то время как другая, большая часть, представленная закисью, выносится вместе с кремнеземом и катионами оснований.

Наряду с этой основной линией поведения химических компонентов следует, однако, отметить, что некоторое количество SiO2, кальция и магния, высвобождающихся при разложении базальта, локально осаждалось на месте, в виде геля кремнезема и магнезиального кальцита. Это лишний раз подчеркивает тот факт, что в некоторых узко локальных участках могут иногда возникать какие-то особенные условия, которые порой очень трудно объяснить.

Опыт с гранитом. Разложение гранита водой с CO2 макроскопически было менее заметным, так как обломки породы сохраняли свой обычный серый цвет (за исключением нескольких пятнышек ожелезнения), а белого налета на стенках цилиндра не появлялось. Пленка поверхностного выветривания намечается очень слабо, а если учесть крупнозернистое строение породы, то выделить ее даже в виде порошка очень трудно. По этой причине нельзя провести все те минералогические и химические определения, которые были выполнены для базальта. Пришлось воспользоваться той же методикой выделения тонких продуктов изменения гранита, которую мы уже описывали ранее.

Рентгеновское изучение продуктов выветривания, полученных при взбалтывании обломков из атмосферной зоны в слабоаммиачной воде, обнаружило ряд рефлексов, таких, как 6,07 А (ср), 2,34 А (сл), 1,85 А (ср), которые свидетельствуют о присутствии бёмита. Рентгенограммы, полученные для такого же тонкого материала, но из зоны колебания уровня грунтовых вод, указывают на наличие гиббсита по типичному для него рефлексу 4,81 А, возможно, с незначительной примесью бёмита (6,07 А).
Фильтрат изучался по такому же плану, как и в опыте с базальтом. Сначала была рассчитана величина интенсивности выноса и истинный вынос вещества. При этом оказалось, что они в 3,4 раза ниже, чем у базальта (табл. 64). Затем по данным химического анализа усредненного состава фильтрата был определен весовой состав и степень выноса каждого элемента, что позволило уточнить динамику процесса экспериментального выветривания гранита (табл. 65, 66).
Заключение. Выветривание гранита в лабораторных условиях в присутствии CO2 характеризуется следующими основными чертами:

1. Значительным выносом кремнезема, щелочных земель и щелочей.

Отношение L = SiO2/основания составляет 3,5, что равно отношению для свежего гранита, т. е., другими словами, вынос кремнезема при выветривании происходит с той же скоростью, что и вынос оснований.

2. Почти полным накоплением свободного алюминия, который образует бёмит в атмосферной зоне и гиббсит в зоне колебания уровня грунтовых вод.

3. Заметным выносом железа, так как количество вынесенного в фильтрате железа составляет 5,4% от его первоначального содержания в граните. Как и в опыте с базальтом, большая часть вынесенного железа (58%) имеет закисную форму.

Таким образом, данные, полученные при экспериментальном разложении гранита, вполне сопоставимы с данными для базальта. Окончательные результаты экспериментального выветривания в присутствии CO2 однозначны и не зависят от состава исходной породы.

Характер процессов разложения.Природа процессов выветривания. Для интерпретации явлений разложения пород водой, содержащей CO2, были использованы все полученные данные, за исключением данных по морфологическим особенностям, которые в этом опыте не изучались.

Минералогические особенности. В табл. 67 суммированы сведения о новообразованных минералах, которые возникали в остаточной фазе при выветривании базальта и гранита. Было установлено следующее:

1. Атмосферное разложение приводит к возникновению в коре выветривания бёмита AlO*ОН, к которому примешивается незначительное количество гидроокислов железа. Однако развития ожелезнения в полном смысле этого слова никогда не наблюдается.

2. В зоне колебания уровня грунтовых вод свободный алюминий идет на формирование гиббсита Al(OH)3 как в опыте с базальтом, так и в опыте с гранитом. Следовательно, гиббсит хорошо кристаллизуется в условиях относительно кислой среды, поскольку значение pH инфильтрационных вод в опыте с гранитом в ряде случаев снижалось до 4,4 (табл. 57).

Таким образом, экспериментальное разложение двух типов пород минералогически характеризуется широким развитием новообразованных гидроокислов алюминия при полном отсутствии слоистых глинистых силикатов и представляет собой выветривание аллитного типа.
В опытах с CO2 наблюдается такое же распределение «в разрезе» (т. е. по бокам) новообразованных гидроокислов алюминия, как и в первой серии опытов с дистиллированной водой, где, как известно, физико-химические условия были иными. Так, бёмит образуется в верхней увлажняемой атмосферной зоне, а гиббсит — в нижней зоне колебания уровня грунтовых вод. Гидродинамические условия и в той, и в другой серии опытов были одинаковы; по-видимому, именно они и обусловили такое распределение минералогических форм гидроокиси алюминия.

Геохимические особенности. Изучение фильтратов выветривания двух типов пород показало, что с геохимической точки зрения динамика поведения отдельных компонентов была сходной и характеризовалась следующими основными чертами:

- значительным выносом кремнезема, щелочных земель и щелочей;

- существенным выносом железа, главным образом в закисной форме;

- почти полным накоплением алюминия.

Анализ отношения Ki = SiO2/Al2O3, которое равно 2,3 в корке выветривания базальта, ничего не говорит о характере процесса. И напротив, индекс L = SiO2/Основания (табл. 68) позволяет установить, что во всех случаях величина L была большей или равной R, т. е. подтверждается аллитный характер экспериментального выветривания.
Для оценки роли химического состава материнской породы удобно пользоваться отношением N = L/R. Величина N тем ниже, чем выше значение параметра R первичной породы, а это означает, что даже в присутствии CO2 вынос кремнезема превышает вынос катионов оснований тем больше, чем меньше была обогащена кремнеземом первичная порода.

Значение полученных данных для интерпретации природных явлений (почвы, бокситы). Разложение кристаллических пород водой, в которой растворен CO2, характеризуется почти полным сохранением в остаточных продуктах алюминия, который образует гидроокислы (бёмит — гиббсит). Что касается железа, то наличие CO2, с одной стороны, и отсутствие воздуха — с другой, препятствуют окислению Fe2+ и общему ожелезнению, способствуя его переходу в раствор и быстрейшему выносу.

Таким образом, углекислый газ можно рассматривать как активный агент процесса аллитизации пород, но не процесса их ожелезнения. В таких условиях, если бы эксперимент был доведен до конца, т. е. до полного разложения вещества поверхностной оболочки, корка выветривания состояла бы главным образом из гидроокислов алюминия и характеризовалась незначительным содержанием железа. Такая корка скорее напоминает латеритные бокситы так называемого микрожелезистого типа, описанные Лаппараном (Fe2O3 < 10%), чем ферраллитные панцири тропиков.

Следовательно, в гидродинамических и температурных условиях экспериментов углекислый газ не вызывает типичного латеритного разложения, а способствует исключительно процессу аллитизации. Его можно, таким образом, рассматривать как фактор образования белых бокситов или обеления ожелезненных бокситов.

На первый взгляд вызывает удивление совместное нахождение в атмосферной зоне экспериментального выветривания бёмита, гидратированного кремнезема и магнезиального кальцита, так как обычно эти минералы одновременно не образуются. И действительно, мы не имеем здесь дела с парагенезом кальцит — бёмит, эти минералы не возникают одновременно в зоне выветривания; карбонатный налет встречается на поверхности обломков спорадически, а гидроокислы алюминия развиваются в корке поверхностного выветривания равномерно. Здесь мы сталкиваемся с простым примером случайного сосуществования двух минералов, причем возникновение одного из них, а именно карбоната, обусловлено существованием особых условий в некоторых очень ограниченных по размеру участках. Подобные аналогии встречаются и в природе, например ассоциация каолинита и кальцита в микролитовых пустотах риолита с Аляски, описанная Паддингтоном в 1923 г.

Что касается ассоциации карбонаты — кремнезем, которая наблюдается в белом налете, то она довольно обычна для экзогенных образований.

Сравнительное изучение распределения малых влементов (в опыте с базальтом). Мы уже сравнивали некоторые данные, полученные в опыте по выветриванию базальта в присутствии CO2, с данными первой серии опытов с чистой водой. Однако значительная разница в гранулометрическом составе материала в основном эксперименте и в опыте с CO2 не позволяет провести сравнительное изучение со всей детальностью. Поэтому параллельно с опытом с CO2 пришлось поставить новый контрольный опыт с чистой водой (T2) при тех же гидрометрических и температурных условиях, что и в основном эксперименте, но с обломками пород такого же размера, как в опыте с CO2. После этого можно было сравнивать данные, полученные для двух типов экспериментов, с целью уточнения характерных геохимических особенностей разных типов выветривания базальта.

Поведение главных элементов. Прежде чем перейти к анализу поведения малых элементов в процессах выветривания в присутствии чистой воды (опыт T2) и воды с CO2, необходимо было выяснить особенности поведения и соотношение главных элементов в этих условиях.

В данном разделе приведены только данные о распределении кремнезема, алюминия, железа, щелочей и щелочных земель; что же касается детального анализа поведения каждого из этих компонентов, то этому вопросу будет специально посвящена третья часть настоящего исследования.
Сравнение полученных результатов (табл. 69) показывает, что при идентичных петрографических, гидродинамических и температурных условиях присутствие CO2 вызывает следующие явления: 1) способствует более интенсивному выносу SiO2, в 1,4 раза превышающему вынос под действием чистой воды; 2) вызывает гораздо более интенсивный (в 8—10 раз) вынос щелочноземельных катионов; 3) определяет удаление железа, которое в опытах с чистой водой никогда не попадало в жидкую фазу выветривания; 4) приводит к некоторому ослаблению выноса щелочей и к очень незначительному выносу Al2O3; этот последний выносится в 10 раз слабее, чем в опыте с чистой водой.

Полученные нами результаты в общем совпали с данными Шатонье, Иимайя, Лагаша, Вайара и Сабатье, полученными ими в ходе экспериментов при высоких температурах.

Если рассчитать параметры L = SiO2/Основания фильтратов, то в опыте с водой (T2) L = 3,30, а в опыте с CO2 L = 1,95. Это означает, что за одно и то же время в опыте с CO2 кремнезем выносился в 1,7 раза слабее катионов оснований. Аналогичные выводы можно сделать и на основании данных, полученных в экспериментах в условиях высоких температур.

Все вышеизложенное позволяет считать, что, хотя присутствие CO2 всегда увеличивает вынос кремнезема в абсолютных количествах, в еще большей мере оно способствует выносу катионов оснований.

Малые элементы и основной ряд их подвижности. Некоторые малые элементы были определены спектрографическим методом в свежем базальте и в фильтратах выветривания двух опытов. Результаты анализов приведены в табл. 70.
Суммируя все имеющиеся данные о величинах отношения QCO2/Qвода для главных и малых элементов, можно составить общий ряд относительной подвижности элементов в двух типах выветривания: при наличии и при отсутствии углекислоты в воде (табл. 71).
Как следует из анализа фактического материала, наличие углекислоты в среде выветривания усиливает по сравнению с чистой водой вынос таких катионов, как Fe2+, Mn, Cu, Co, Ni, и щелочных земель (Mg — Ca — Sr — Ba), т. е. всех тех элементов, бикарбонаты которых растворимы. Что касается выноса Sn, его можно объяснить образованием карбонатных комплексов в момент выноса.

И наоборот, CO2 несколько тормозит удаление щелочей (К — Na), бикарбонаты которых менее растворимы, чем гидроокислы, и почти полностью затормаживает вынос катионов группы алюминия (Al — Ti — Ga — Cr — Zr — V). Для этих элементов, карбонаты которых обладают способностью легко гидролизоваться, действие воды с CO2, естественно, приводит к появлению нерастворимых гидроокислов, которые остаются на месте. В таких условиях почти полное накопление алюминия в твердой остаточной фазе выветривания обусловливается реакцией гидролиза типа

Al2(CO3)3 + 6H2O —> 2Al(OH)3 + 3[CO2, H2O].

К описываемой группе элементов можно добавить также трехвалентное железо. В этом случае появление небольшого количества бурых гидроокислов железа в самой верхней части цилиндра экстрактора «Сокслет» в опыте с СO2 (где среда не была окислительной) можно объяснить гидролизом карбонатов.

В заключение следует отметить, что, за исключением железа, которое в опыте с CO2 ведет себя совершенно по-иному, чем в опытах с чистой водой, динамика поведения других элементов в присутствии углекислоты качественно не меняется. Если взять два основных элемента земной коры — кремнезем и алюминий, то можно сказать, что наличие углекислого газа лишь несколько усиливает действие чистой воды на породу. Поэтому легко можно понять те затруднения, которые стояли перед первыми геохимиками, когда они пытались резко разграничить эти два фактора выветривания (вода — CO2) и приписывали то одному, то другому какую-то исключительную роль в разложении пород в условиях земной поверхности.





Яндекс.Метрика