Моделирование процессов новообразования минералов при выветривании

Минералы алюминия. Генерация гидроокислов алюминия. Ранее уже неоднократно отмечалось, что в некоторых опытах алюминий, извлеченный из первичных минералов, почти полностью накапливался в виде минералов — гидроокислов непосредственно в среде выветривания. Следует подчеркнуть, что эти минералы алюминия впервые были получены при экспериментальном выветривании полевых шпатов в температурных условиях, близких к экзогенным. Таким образом, изучение особенностей экспериментального осаждения алюминия и его индивидуализации в виде минералов — гидроокислов представляет большой интерес для понимания механизма образования минералов природных бокситов. Синтез полученных результатов позволяет сделать ряд важных выводов (табл. 130):

1. Во всех случаях значительного накопления Al2O3 (табл. 122) происходит образование его кристаллических гидроокислов. Этот процесс идет при разложении как гранита, так и базальта при полном или частичном накоплении всего свободного алюминия.

2. Минералогически новообразования в зоне выветривания во всех опытах, где алюминий входит в кристаллическую решетку, представлены чистыми гидроокислами. В экспериментальных условиях ни разу не наблюдалось фиксации тетраэдров [Si(OH)4] на образующихся в процессе разложения октаэдрических слоях типа Al(OH)3.

3. В большинстве опытов алюминий участвовал в образовании кристаллических форм двух типов: оксигидроокисла AlO*ОН, или бёмита, который генерировался почти исключительно в атмосферной зоне выветривания, и ортогидроокисла Al(OH)3, или гиббсита, который генерировался только в зоне колебания уровня грунтовых вод, главным образом на стеклянных стенках цилиндра прибора и сифона.

Итак, появление каждого минералогического типа в опытах ограничивалось совершенно определенной зоной выветривания, а это означает, что условия новообразования кристаллических гидроокислов алюминия в каждом случае имели свои специфические особенности.

Образование бёмита. 1. Кристаллизация бёмита всегда происходила в верхней атмосферной зоне выветривания, характеризующейся обильным дренажем.

2. Появление бёмита отмечено во всех опытах аллитного типа (как с чистой водой, так и с водой с СO2) при выветривании как базальта, так и гранита.

3. Бёмит формировался непосредственно на месте, замещая минералы при их разложении (фото 8). В этом случае алюминий, высвобождаясь из решетки алюмосиликатов, не подвергался никакому перемещению и накапливался в пустотах выщелачивания.

4. В виде бёмита представлена только часть свободного алюминия, перешедшего в раствор в процессе выветривания (табл. 118), остальная часть этого элемента выносилась из этой верхней зоны.

Образование гиббсита. 1. Кристаллизация гиббсита происходила как на стеклянных стенках цилиндра и сифона прибора «Сокслет», так и на поверхности обломков породы в нижней части цилиндра, т. е. только в пределах зоны колебания уровня грунтовых вод, там, где скорость циркуляции (дренаж) воды была гораздо ниже, чем в верхней атмосферной зоне.

2. Формирование гиббсита (так же как и бёмита. — Ред.) происходило в достаточно широких пределах значений pH (5,0—7,5), которые тем не менее не выходили за рамки значений, характерных для поля химического осаждения алюминия.

3. Образование гиббсита происходило при выветривании обоих типов пород (гранита и базальта) в опыте с углекислым выветриванием и при выветривании базальта в опыте с чистой водой.

4. В основном опыте (с базальтом) количество новообразованного гиббсита увеличивалось по направлению к нижней части экстрактора, т. е. в зоне, где порода дольше всего находилась в соприкосновении с инфильтрирующим раствором и где концентрация вынесенных из породы катионов была значительно выше, чем в верхней зоне прибора.

На основании вышеперечисленных характерных особенностей возникновения и приуроченности гиббсита можно сделать следующие выводы:

1. Непосредственная кристаллизация гиббсита в зоне колебаний уровня грунтовых вод происходила из сравнительно разбавленных растворов, которые, кроме алюминия, содержали различные другие элементы, вынесенные из первичной породы, и, в частности, SiO2. Однако, как уже отмечалось выше, фиксации кремнекислородных тетраэдров на октаэдрических слоях не происходило. Таким образом, проблема кристаллохимического механизма образования каолинита остается нерешенной. Можно предположить, что дренаж в зоне колебания уровня грунтовых вод оставался еще настолько интенсивным, что обеспечивал вынос всего свободного кремнезема с фильтратом; это создавало благоприятные условия для образования чистого гиббсита.

2. Установлено, что гиббсит в зоне колебания уровня грунтовых вод формировался главным образом за счет алюминия, вынесенного в растворе из атмосферной зоны выветривания (табл. 118), т. е. осаждался в виде твердой фазы, «продвинувшись» сверху вниз максимально на 15 см. По-видимому, вполне логично предположить, что при большей высоте цилиндра прибора, по которому совершалась инфильтрация раствора, фильтраты выветривания могли бы лишиться всего содержащегося в них алюминия и он не попал бы в колбу-приемник.

Таким образом, хотя в некоторых условиях отмечался довольно значительный вынос алюминия из верхних горизонтов, он не должен был переноситься очень далеко, если дренаж не захватывал мощный горизонт. На этом основании вынос алюминия из латеритного профиля в природных условиях следует рассматривать как очень ограниченный по вертикали местный процесс. Это объясняет тот факт, что в некоторых профилях выветривания наблюдается увеличение содержания гиббсита с глубиной.

Заключение: роль гидродинамического фактора. Анализ имеющихся данных приводит к выводу о громадной роли скорости инфильтрации вод (интенсивности дренажа вод), обусловливающих разложение породы, при возникновении новообразованных минералов, особенно в процессе аллитного выветривания.

Установлено, что в условиях одинаковой температуры (около 70° С) бёмит образуется в зоне, подвергающейся самому интенсивному дренажу (атмосферная зона основного опыта), но не формируется в условиях пониженного дренажа (атмосферная зона в опыте с ограниченным дренажем) (табл. 130). Можно считать доказанным, что в лабораторных условиях бёмит может образоваться при дренаже, превышающем 200 мм в день (табл. 97). Гиббсит появлялся в зоне колебания уровня грунтовых вод как в основном опыте, так и в опыте с пониженным дренажем, при котором скорость циркуляции была в среднем в 10 раз меньше (табл. 130). Данные табл. 6 и 97 показывают, что гиббсит способен формироваться при интенсивности дренажа ниже 150 мм/день, но выше 20 мм/день. Последнее значение, представляющее собой самую низкую экспериментально полученную величину интенсивности фильтрации, все же гораздо выше максимальной интенсивности природного дренажа. Экспериментальная скорость фильтрации соответствует годовому дренажу, равному примерно 7200 мм, т. е. значительно превышает средний максимум, зарегистрированный в тропических латеритных зонах. Возможно, что опыт с еще более медленной ежедневной фильтрацией позволил бы определить условия формирования новообразованного каолинита (табл. 131).

В заключение следует отметить, что настоящая экспериментальная работа указывает на зависимость формирования тех или иных новообразованных минералов алюминия прежде всего от гидродинамических особенностей среды выветривания или почвообразования. Следовательно, для возникновения каждого данного типа новообразований должны существовать совершенно определенные гидрологические условия. Несомненный интерес представляет уточнение границ распространения этих условий.

Железо-магнезиальные минералы. Формирование окислов и гидроокислов железа. Полученные данные показали, что при определенных экспериментальных условиях происходит ожелезнение выветривающихся пород, т. е. накопление окисного железа на месте в форме более или менее кристаллических гидратов. Рассмотрим этот процесс с минералогической точки зрения.

Табл. 132, в которой приведены все имеющиеся данные о новообразованных железо-магнезиальных минералах в зоне выветривания различных опытов с чистой водой, позволяет отметить ряд характерных особенностей, связанных с процессом выноса и перераспределения железа.

1. Процесс быстрого и массового ожелезнения проявляется только в зоне атмосферного выветривания, т. е. там, где температура достаточно высока, а окисление в контакте с воздухом наиболее сильное. В этой зоне происходит самое интенсивное разложение первичных железо-магнезиальных силикатов и очень быстрый переход первичного двухвалентного железа в трехвалентное. В таких условиях в самой влажной зоне выветривания сразу устанавливается такая степень концентрации FeIII, что происходит массовая флоккуляция гидратов: образуются коллоидные и аморфные гели (типа стильнносидерита) состава Fe2O3*nH2O. Известно, что переход гидратов с беспорядочной структурой в кристаллические образования осуществляется с трудом. В наших опытах гидраты оставались аморфными во всех экспериментах за исключением основного опыта (вода — базальт), где было отмечено появление небольшого количества гематита a-Fe2O3. Подобные превращения уже наблюдались в лабораторных условиях Фрике и Аккерманом. Пока трудно назвать факторы, способствующие переходу в кристаллическое состояние. Известно, что в природных тропических обстановках гематит всегда преобладает в поверхностных, а не в нижележащих горизонтах профиля выветривания. Mop предположил, что это обусловлено обычной дегидратацией под действием иносоляции, которая могла поднять температуру в латеритной кирассе до 80° С. Данный процесс можно считать одной из причин образования гематита, но в наших опытах этот фактор отсутствовал, и атмосферная зона, где происходила генерация кристаллического гидрата FeIII, все время оставалась влажной, поскольку через нее постоянно фильтровались все новые и новые капли воды.

2. В зоне колебания уровня грунтовых вод, т. е. в среде, которая была постоянно обводнена и поэтому менее насыщена кислородом, образования гидроокислов железа не наблюдалось. На стеклянных стенках цилиндра в этой зоне всегда можно было отметить присутствие небольшого количества хорошо окристаллизованного гётита FeO2H в ассоциации с новообразованным гиббситом. Этот факт указывает на некоторую подвижность железа в плохо аэрируемой среде, которую довольно легко объяснить. Закисное железо первичных пород в этой зоне не подвергалось резкому окислению и было способно при величинах pH около 7,5 переходить в небольших количествах в раствор (фиг. 48). Ho так как движение растворов здесь в определенный период замедлялось (до момента заполнения цилиндра водой до уровня сифона), свободные ионы Fe2+ постепенно окислялись и медленно осаждались на стенках цилиндра в форме кристаллического гётита, Физикохимические условия образования гётита сходны с условиями, в которых происходило формирование новообразованного гиббсита.

Следовательно, кристаллохимическое поведение окисного железа и алюминия очень сходно, и это уже не вызывает удивления ни у физико-химиков, ни у минералогов, ни у почвоведов. Так, например, Меньен отмечал, что 80% гидроокислов железа в бокситовой кирассе находится в форме гётита. Таким образом, ассоциация гиббсит — гётит, характерная для зоны колебания уровня грунтовых вод в наших экспериментах с чистой водой, представляет собой, по-видимому, настоящий минералогический парагенез.

Заключение. Формирование гидроокислов железа в аэрируемой и в обводненной средах экспериментов развивается по двум путям:

1. Если окисление было очень интенсивным (атмосферные условия), оно затрагивало ионы Fe2+ даже внутри структуры силикатов. В этом случае железо, перейдя в окисную форму, не выносилось водой; оно сразу накапливалось на месте в виде коллоидного геля состава Fe2O3*nH2O.

2. Если окисление было менее интенсивным (в зоне колебания уровня грунтовых вод), из первичных минералов в результате гидролитической диссоциации могло высвобождаться незначительное количество Fe2+; в этом случае железо обладало некоторой подвижностью. Окисление в таких условиях, начинавшееся после поступления в раствор иона Fe2+, ограничивало его подвижность и переводило в форму иона Fe3+, который в свою очередь медленно выпадал в осадок в разбавленной среде в виде гётита FeO2H.

Новообразованный железо-магнезиалъный сапонит. Когда температура выветривания понижалась от 70 до 20° С, происходило заметное уменьшение скорости процесса гидролитического разложения первичных минералов. Это в свою очередь вызывало уменьшение (в 3—4 раза) степени интенсивности выноса кремнезема и катионов оснований по сравнению с выносом, наблюдавшимся в опыте с повышенной температурой. В зоне выветривания создавалась концентрация элементов, обусловленная динамическим равновесием экстракция — вынос и значением pH среды, зависящим от присутствия катионов оснований. Эти условия были благоприятными для взаимодействия между Si(OH)4 и такими структурными катионами, как Fe2+ и Mg. Работы Кайер и Энена и Сиффера позволяют представить мономерные цепи кремнезема следующего типа:

Последовательно полимеризуясь, эти цепи дают начало слоистой решетке типа 2:1. В результате опыта при пониженной температуре был получен новообразованный железо-магнезиальный разбухающий минерал, средний состав которого можно представить в виде следующей формулы:

Какое значение могут иметь подобные новообразования для расшифровки процессов почвообразования и выветривания?

По-видимому, формирование таких слоистых силикатов можно рассматривать как одну из стадий выветривания. Ho является ли такое равновесие устойчивым и окончательным? Подведение геохимического баланса по результатам опыта при пониженной температуре показало, что это не так. В действительности по характерным особенностям процесс выветривания относился к латеритному типу (L > R), но интенсивность извлечения катионов из первичных минералов была настолько слаба, что из них (SiO2 — FeO — MgO) могла образоваться на месте лишь слоистая триоктаэдрическая решетка.

Подобные явления хорошо известны почвоведам, так как часто на границе с первичной породой ферраллитизация отсутствует. Однако такой тип новообразования ничего не нарушает в общем ритме выноса, и по истечении определенного периода времени весь первичный кремнезем и магний либо войдут в решетку новообразованных минералов, либо будут вынесены с инфильтрационными водами. Если условия не изменятся и процесс выветривания будет развиваться дальше, более поздние изменения будут происходить за счет новообразований этой первой стадии. Разбухающие глинистые минералы типа 2 : 1 должны будут постепенно разложиться, а выветривание примет настоящее латеритное направление. Таким образом, стадию железо-магнезиальных глинистых минералов можно рассматривать как переходный этап в эволюции породы в условиях эксперимента.