23.03.2018

Влияние гидродинамического фактора на выветривание


Введение. Общее количество атмосферных осадков (годовой дренаж) и средняя температура всегда рассматривались как основные климатические факторы почвообразования. В связи с этим одной из главных задач при изучении почв является уточнение в каждом конкретном случае той роли, какую играет количество годовых осадков. Для этого одни исследователи пытались статистически определить количество дождевых осадков и на основании этих величин выделяли определенные типы выветривания. Другие пробовали сопоставлять среднее количество дождевых осадков с геохимическими параметрами, характерными для процесса разложения пород. В настоящее время по тропическим и субтропическим районам Земли, где процессы выветривания изучены наиболее детально, имеется большое количество данных по гидродинамике атмосферных вод, которые так или иначе увязываются с данными изучения почвообразовательных процессов. В качестве примера можно привести работы, в которых годовая изохита 500 мм считается пределом развития процессов ожелезнения (появление свободных гидроокислов железа) и тропической каолинизации.

Еще больше сведений получено о процессе аллитизации, т. е. накоплении свободных гидроокислов алюминия. По данным Шермана, для успешного протекания процесса аллитизации необходимо 1100 мм осадков; Меньен приводит величину 1200 мм, а Сегален — 1500 мм. Напротив, ван дер Мерве значительно снижает предельную величину количества осадков, основываясь на детальных минералогических наблюдениях над тропическими и субтропическими почвами Южно-Африканской Республики. Он считает, что гиббсит появляется в профилях даже на гранитном субстрате, как только количество осадков начинает превышать 850 мм.

Известно, однако, что количество атмосферных осадков может колебаться в довольно широких пределах даже в такой, казалось бы, однородной температурной зоне, как тропики.

Тем интереснее было попытаться решить этот спорный вопрос экспериментальным путем. На первой стадии исследований было необходимо установить, каким образом уменьшение интенсивности фильтрации (дренажа, или, другими словами, количества атмосферных осадков) при сохранении неизменными всех остальных параметров влияет на вынос компонентов из породы и на сам процесс ее разложения.

Основные условия опыта. В цилиндр прибора было помещено 330 г мелких обломков базальта, а в колбу-приемник залито 300 см3 воды. Нагреватель колбы-приемника был отрегулирован таким образом, чтобы кипение было более медленным, чем в основном опыте, что в свою очередь вызывало более медленное испарение, конденсацию, а следовательно, и более медленную фильтрацию воды через породу. Ежедневный дренаж составлял 400 см3, что соответствует ежедневному количеству дождевых осадков в 200 мм, т. е. дренаж был в 12,5 раза меньше, чем в контрольном опыте T2. Почасовая интенсивность дренажа в этом случае равна 8 мм (табл. 97). Все другие характеристики атмосферных осадков в этом опыте оставались прежними: та же непрерывность их выпадения, то же постоянство ритма фильтрации и слива.

Температура воды в момент конденсации была несколько выше, чем в прежних опытах (T1 и T2), т. е. чуть ниже 100° С. А так как для заполнения цилиндра прибора до верхнего уровня сифона в этом опыте требовалось несколько больше времени, поскольку скорость конденсации воды в холодильнике происходила медленнее, то температура в зоне колебания уровня грунтовых вод прибора в момент слива фильтрата через сифон была намного ниже, чем в контрольном опыте. Она обычно приближалась к 45° С.

Влажность воздуха в приборе составляла 70 мм или приблизительно 0,1 атм., т. е. была в 3 раза ниже, чем в основном эксперименте, но все же в 3 раза выше, чем влажность в тропических областях. Физико-химическая характеристика воды в этом опыте была очень близка к соответствующей характеристике контрольного опыта (табл. 97). Таким образом, параметры описываемого эксперимента были очень близки к параметрам контрольного опыта T2, за исключением количества выпадающих осадков.
Следует также отметить, что климатические условия этого опыта были более близки к экваториальному океаническому климату, так как часовая интенсивность инфильтрации (8 мм/час) опыта в точности соответствовала дренажу осадков, наблюдающемуся на Маршалловых островах.

Изменения, наблюдающиеся в процессе опыта.
С самого начала эксперимента фильтрация воды вызывает некоторое разложение базальта, так как pH вод в момент их слива в нижнюю колбу заметно возрастает и колеблется от 6,5 до 6,7. Жидкость, собирающаяся в колбе-приемнике, быстро приобретает щелочную реакцию (pH 9,0-9,5), но не становится мутно-белой, как это отмечалось в предыдущих опытах. Внешний вид обломков базальта меняется очень мало, однако постепенно в атмосферной зоне на поверхности базальта появляется точечная вкрапленность ржавого цвета. Примерно на 100-й день опыта, т. е. после фильтрации через породу 40 л воды, на стенках цилиндра образуется слабый беловатый налет. Он становится более заметным на 120-й день, а на 150-й день такой же налет развивается внутри сифонной трубки. В дальнейшем количество белого осадка продолжает возрастать и прибор приобретает вид, изображенный на фото 22.
В конце 13-го месяца (приблизительно через 395 дней), когда общий объем фильтрата составлял 158 л, эксперимент был закончен и начато изучение вещества.

Минералогическая характеристика твердой остаточной фазы. Отделить выветрелую оболочку от свежей породы не удалось из-за небольшого размера обломков. Пришлось ограничиться взбалтыванием выветрелых обломков в воде с добавлением аммиака, как это делалось в некоторых предыдущих опытах. В результате было собрано достаточное количество тонких продуктов выветривания и проведено их рентгеновское изучение.

В атмосферной зоне проявление ожелезнения отмечалось вполне отчетливо, но развито оно было всегда локально. По окончании опыта вокруг обломков не наблюдалось охристой корки, как это было в основном эксперименте, и не было встречено никаких минералогических новообразований. Это указывает на то, что к моменту остановки прибора даже свободные окислы железа еще не успели сформироваться в какие-либо окристаллизованные новообразования.

В зоне колебания уровня грунтовых вод на боковых стенках цилиндра развивался белый налет. Исключение представляли те участки, где обломки породы ПЛОТНО прилегали к стеклу, а сами обломки базальта приобрели очень характерную серовато-белую окраску (фото 22). На рентгенограммах порошкового налета были обнаружены характерные рефлексы хорошо окристаллизованного гиббсита [4,79 А (с) — 4,29 А (с) — 2,45 А (сл) — 2,38 А (ср) — 2,00 А (ф) — 1,89 А (ср)], к которому примешивалось, вероятно, небольшое количество гётита FeO2H [рефлексы 4,19 А (ср)] (фиг. 39). Гиббсит был также обнаружен в продуктах поверхностной корочки обломков.
Следовательно, с минералогической точки зрения экспериментальное выветривание привело к выделению аморфных гидроокислов железа Fe2O3*AH2O в атмосферной зоне (ожелезнение) и к некоторому накоплению гидроокисла алюминия в нижней зоне колебания уровня грунтовых вод, который кристаллизовался в виде гиббсита.

Геохимическая характеристика фильтрата выветривания.
Весь фильтрат выветривания к концу опыта представлял собой мутную белую жидкость, похожую по внешнему виду на фильтраты, полученные в предыдущих опытах. По элементарному составу он также оказался близок к фильтратам первой серии опытов. Электронно-микроскопическое изучение выявило присутствие коллоидальных глобулей. Термовесовой анализ дал характерные кривые дегидратации (фиг. 40, кривые 1,2). Количество вещества, вынесенного в 158 л фильтрата, составляло 995 мг, что соответствует интенсивности выноса в 1,9 мг/л на 100 г породы. Это в 1,5 раза меньше, чем в контрольном опыте T2 (табл. 99). Химический анализ всего фильтрата дал состав (в вес.%), приведенный в табл. 98; это позволило уточнить динамику поведения каждого элемента в процессе опыта.
Было установлено, что в опыте с дренажем меньшей интенсивности, так же как в контрольном эксперименте T2, 1) железо не подвергается выносу; 2) происходит удаление почти такого же количества кремнезема (1,2) и основных катионов (отношение L = SiO2/Основания в обоих случаях равно 3,3) и 3) осуществляется гораздо более значительное накопление Al2O3, который здесь почти в 3,7 раза менее подвижен (выносим) в абсолютных количествах, чем в опыте с сильной циркуляцией воды.
Общая характеристика процессов выветривания. В табл. 100 приведены данные о составе новообразованных минералов в опытах со слабым дренажем (158 л) и интенсивным дренажем основного эксперимента (1600 л). Очевидно, что в условиях, при которых дренаж приблизительно в 10 раз слабее, тип минералогической эволюции не меняется. Единственное отличие состоит в том, что в опыте с ограниченным дренажем в обломках базальта в атмосферной зоне не было обнаружено появления кристаллических окислов или гидроокислов железа или алюминия. С геохимической точки зрения оба опыта аналогичны, так как железо и особенно алюминий накапливались в твердой остаточной фазе выветривания, в то время как кремнезем и основания подвергались постоянному выносу.

Таким образом, интенсивность дренажа, даже уменьшенная в 12,5 раз, еще достаточно высока (ежедневный дренаж свыше 400 см3) и приводит в результате к изменениям породы, которые характерны для ферраллитного выветривания тропических областей.





Яндекс.Метрика