23.03.2018

Развитие процессов поверхностного выветривания


В результате проведенных экспериментальных исследований были получены не только чисто геохимические данные, но и ряд сведений о процессах почвообразования и особенно о процессе ферраллитизации. Имеющиеся данные позволяют рассмотреть следующие три проблемы:

1) проблему почвенно-климатических границ (зональности);

2) проблему вертикальной дифференциации в почвообразовании;

3) проблему устойчивости почвенных новообразований.
Условия аллитизации и проблема почвенно-климатической зональности.Обсуждение экспериментальных результатов. Геохимический баланс процессов выветривания показал, что эволюция латеритного типа зависит одновременно от высвобождения и выноса кремнезема и от высвобождения и «индивидуализации» на месте чистого алюминия. По этой причине в предыдущей главе была детально проанализирована специфика поведения кремнезема и алюминия в зависимости от физико-химических и термогидрологических условий. Теперь можно попытаться сделать общие выводы, касающиеся условий аллитного выветривания.

1. В присутствии углекислого газа разложение минералов типа ортоклаза можно представить в виде следующего уравнения:
Анализ этого уравнения позволяет сделать следующие замечания:

а. Выпадение в осадок окиси алюминия вследствие гидролиза карбоната происходит во всех случаях независимо от условий температуры и дренажа.

б. Наоборот, при выносе кремнезема дренаж играет определенную роль. Необходимо, чтобы он достигал известной величины (несколько меняющейся в зависимости от температуры). Для того чтобы кремнезем выносился, должно соблюдаться следующее соотношение:

Скорость выноса SiO2 из породы > Скорость высвобождения SiO2 из минералов породы.

В противном случае будет происходить сиаллитизация.

Таким образом, в присутствии CO2 для каждой температуры существует своя определенная интенсивность дренажа (нижний предел), позволяющая осуществляться процессу аллитного типа. По мере повышения температуры, то есть с возрастанием степени высвобождения кремнезема, величина дренажа должна только постепенно увеличиваться (фиг. 56).

2. В присутствии чистой воды процессы выноса и накопления идут по иному пути, так как разложение и в то же время накопление окиси алюминия на месте зависят одновременно и от температуры, и от интенсивности дренажа.

а. Мы уже видели, что при низких температурах гидролитическое разложение было слабым; при этом в растворе появлялось некоторое количество комплексных алюмосиликатных ионов. При интенсивном дренаже эти ионы немедленно подхватывались током инфильтрационных растворов, и небольшое количество извлеченного из породы алюминия полностью выносилось. В этом случае аллитизации не происходило. Ho при слабом дренаже комплексные ионы типа [SiAlO2(OH)4]- претерпевали дальнейшее разрушение с высвобождением составляющих их компонентов, в особенности алюминия. В том случае, если кремнезем слабо выносился, на месте могла происходить перегруппировка элементов с формированием новых глинистых минералов. Все это осуществлялось в пределах процесса сиаллитизации.
б. При более высокой температуре происходила интенсивная гидролитическая диссоциация. Для быстрого выноса всего высвобождающегося кремнезема (т. е. аллитизации) была необходима определенная интенсивность дренажа. Однако, если дренаж становился слишком интенсивным, комплексные ионы [SiAlO2(OH)-] не распадались в элювиальном горизонте и из поверхностных частей разреза выносилось значительное количество алюминия.

Таким образом, при отсутствии CO2 для каждой температуры вырисовывается зона дренажа (ограниченная двумя пределами), которая допускает развитие аллитного процесса. Подобные соотношения схематически представлены на фиг. 57.

3. Можно попытаться сравнить углекислые и гидролизные условия аллитного выветривания, использовав данные о потенциальном высвобождении кремнезема в этих условиях. Известно (по нашим материалам, а также по данным Кабановой), что вода, содержащая CO2, по сравнению с дистиллированной водой значительно усиливает при любой температуре извлечение SiO2 в абсолютных количествах. Поэтому минимальный дренаж, необходимый для аллитизации в присутствии CO2 при данной температуре, всегда выше того минимума, который был необходим для гидролизной аллитизации. Это можно представить в виде графика (фиг. 58), анализ которого показывает следующее:

- при данной интенсивности дренажа температура, необходимая для аллитизации, будет тем ниже, чем выше содержание CO2 в водах, производящих выветривание;

- наоборот, при данной температуре для аллитизации необходим тем более интенсивный дренаж, чем больше CO2 содержится в водах выветривания.

Другими словами, углекислое аллитное выветривание требует более обильного дренажа, но более низких температур, чем гидролизная аллитизация.

Генетическая значимость. Присутствие углекислого газа в атмосфере приводит к некоторому смещению климатических зон аллитного выветривания на поверхности Земли.

На сводной диаграмме (фиг. 58) выделены 4 климатические (гидротемпературные) зоны, из которых каждая соответствует процессу определенного типа.

Зона I. Аллитизация невозможна ни при действии чистой воды, ни воды с CO2, так как условия таковы, что вынос всегда недостаточен для развития латеритного выветривания. Осуществляется процесс сиаллитизации.
Зона II. Возможна только гидролизная аллитизация. В присутствии CO2 дренаж недостаточно интенсивен для того, чтобы мог происходить полный вынос перешедшего в раствор SiO2. Здесь также происходит процесс сиаллитного выветривания.

Зона III. Аллитизация развивается как в присутствии CO2, так и при действии чистой воды.

Зона IV. Аллитизация еще возможна, но только при действии CO2. Что касается действия чистой воды, то в этом случае климатические условия приводят к переходу алюминия в подвижную фазу и его выносу в значительном количестве.

В связи с вышеизложенным трудно утверждать, что CO2 является специфическим агентом латеритного выветривания, как это считали Кэмпбел, Mop и Ван Шюленборг. Тем не менее в тропической зоне углекислота может временами играть активную роль, так как в этих условиях при интенсивной минерализации органического вещества образуются значительные количества CO2.

Как известно, многие геологи считали углекислоту определяющим фактором бокситизации. Экспериментальные исследования показали, что это не всегда так, однако нельзя исключать такую возможность (зона IV, например), если вспомнить, что атмосфера Земли в некоторые эпохи была более богата CO2, чем в настоящее время. Можно предположить, что аллитное выветривание в таких обстановках могло развиваться гораздо интенсивнее, так как в присутствии CO2 границы климатического контроля нарушаются.

Конечно, все эти выводы носят еще очень общий характер, но тем не менее они показывают, с какой осторожностью следует подходить в почвоведении к проблеме климатических границ, а в геологии — к вопросу о палеоклиматических условиях формирования соответствующих им формаций.

Вертикальная дифференциация в ферраллитной среде. Экспериментальное выветривание, вызванное действием чистой воды (небиологическая среда) в аэрируемых условиях привело к развитию ферраллитного процесса. Если расположить различные данные, полученные в этом эксперименте, по «этажам», как показано в табл. 139, то можно на примере геохимического и минералогического перераспределения железа и алюминия в вертикальном разрезе представить развитие процесса гидролизного выветривания в целом.
Геохимическая вертикальная дифференциация. В условиях очень интенсивного дренажа и сильного окисления, как, например, в атмосферной зоне выветривания, алюминий претерпевал частичное перемещение, тогда как железо полностью сохранялось на месте. В таких условиях поверхностный горизонт ферраллитного выветривания имеет тенденцию к обогащению железом при дефиците алюминия. Однако, как показал эксперимент, алюминий не мигрирует очень далеко с фильтратом. Как только он достигает нижележащей зоны колебания уровня грунтовых вод, он немедленно выпадает из раствора. Выпадение его осуществляется тем легче, чем длиннее был путь, пройденный раствором в приборе, т. е. чем значительнее уменьшилась интенсивность дренажа.

Таким образом, в эксперименте путь длиной в 15 см оказался достаточным, для того чтобы началось довольно значительное осаждение алюминия. Абсолютное накопление окиси алюминия происходит именно в нижней зоне, так как здесь мы фиксировали обогащение по сравнению с первичной породой. Следовательно, если бы такой процесс продолжался достаточно длительное время, то в результате могла бы возникнуть четкая вертикальная дифференциация в профиле латеритного выветривания: верхний горизонт содержал бы большое количество железа, а нижний был бы обогащен гидроокислами алюминия. Единственная причина такой дифференциации — гидродинамические условия выветривания и в особенности довольно резкое замедление фильтрации в зоне колебания уровня грунтовых вод.

С помощью вышеописанного механизма можно объяснить часто наблюдающуюся в природе вертикальную зональность в залежах латеритных бокситов. Например, в латеритах острова Лoc в Гвинее, образовавшихся на нефелиновых сиенитах, Милло и Бонифас с помощью изоволюметрического метода установили абсолютный привнос окиси алюминия (табл. 140, по данным Бонифас).
Заключение. Если дренаж был очень интенсивным, при гидролизном разложении наблюдается довольно заметный вынос алюминия. Следовательно, в некоторых случаях при процессах латеритного выветривания этот элемент был сравнительно подвижным. Полученные данные вполне согласуются с часто наблюдающимися явлениями на месторождениях природных бокситов, выражающимися в выполнении прожилков и пустот. Это отмечалось на многих месторождениях как латеритного типа в Арканзасе и Джорджии, так и на месторождениях типа «терра росса» в Центральной Европе. С этой точки зрения алюминий нельзя рассматривать в качестве стабильного элемента при подсчетах методом «изоалюминия», как это делал Гольдич.

Однако алюминий, подвижный в таких условиях, не может мигрировать слишком далеко, так как он очень чувствителен к изменениям гидродинамических факторов данного профиля выветривания. Достаточно некоторого замедления циркуляции вод (например, в результате временного подпруживания), чтобы алюминий выпал в осадок, обогатив подстилающую зону.

В заключение следует отметить, что для объяснения генезиса чистых бокситов совершенно излишне привлекать какие-то особые физико-химические условия (например, углекислый газ, который способствует отделению Al2O3 от Fe путем перемещения одного железа и создает вертикальную дифференциацию, обратную той, которую мы только что описали). Нет также необходимости объяснять скопление железа в панцире, покрывающем латеритные бокситы, его подъемом снизу вверх в засушливые периоды (табл. 140).

Распределение минералов при формировании вертикальной зональности. Сопоставление минерального состава двух зон экспериментального выветривания обнаружило следующие особенности распределения по вертикали новообразованных гидратов окиси железа и алюминия (табл. 139):

1. В атмосферной зоне (верхний горизонт), где дренаж и окисление очень интенсивны, железо и алюминий осаждаются на месте в виде аморфных гидроокислов Fe2O3*nH2O (стильпносидерит) и бёмита AlO*ОН.

2. В зоне колебания уровня грунтовых вод (нижний горизонт), где дренаж менее интенсивен, а окисление гораздо слабее, оба элемента выпадают очень медленно из разбавленных растворов и кристаллизуются в виде гидроокислов: гётита FeO2H и гиббсита Al(OH)3.

Таким образом, довольно резкие изменения гидродинамических параметров опытов, т. е. скорости дренажа и условий аэрации, приводят к вертикальной минералогической дифференциации, которая обусловливает образование двух четких горизонтов.

Все вышеизложенное позволяет нам сделать следующие выводы:

1. Парагенез гиббсит — гётит нижней зоны эксперимента является классическим для областей латеритообразования Земли, где он характеризует не только зону колебания уровня грунтовых вод, но также поверхностные горизонты. А это, по-видимому, означает, что скорость инфильтрации атмосферных осадков и проницаемость поверхностных образований никогда в естественных тропических условиях не бывают столь значительными, как в атмосферной зоне прибора, где возникал парагенез бёмит — аморфные гидроокислы железа. Наоборот, в природе интенсивность поверхностного дренажа гораздо ниже интенсивности, наблюдающейся в нижней зоне колебания уровня грунтовых вод экстрактора, где при выветривании возникает ассоциация гиббсит — гётит.

2. В более широком плане выделение в экспериментальном разрезе зон с различными новообразованными минералами, например бёмитом — гиббситом для алюминия, показывает, какое значительное влияние могут оказывать гидродинамические условия на характер и распределение новообразований в данном профиле выветривания. В результате в вертикальном разрезе коры выветривания намечаются определенные зоны, или горизонты. Это позволяет высказать предположение, что в одном и том же профиле с самого начала выветривания могут происходить самые различные преобразования минерального состава только за счет обычных колебаний гидрологических условий на разных глубинах. В современных тропических корах широко известны гиббситовая и каолинитовая зоны выветривания. В древних корах выветривания Украины на гранитах описаны гидрослюдистый и каолинитовый горизонты, на базальтах монтмориллонитовый, каолинитовый и гиббситовый; на серпентинитах Урала развивается нонтронит-бертьерин (FeIII)-гётитовый горизонт.

Все это позволяет сделать важный вывод, основанный на результатах экспериментальных исследований, о том, что в профиле выветривания только самая поверхностная зона развивается в соответствии с климатическими условиями. Несколько глубже текстурные и структурные особенности пород могут очень заметно изменить скорость циркуляции вод. Геохимическое равновесие поверхностного горизонта со средой выветривания нарушается и возникают новообразования, которые уже нельзя рассматривать как непосредственный результат воздействия климатических факторов; скорее эти образования будут находиться в равновесии с гидрологическими условиями данного горизонта.

Гидродинамические условия более глубоких зон характеризуются более слабой интенсивностью процессов разложения по сравнению с поверхностными горизонтами. Их можно сравнить с условиями поверхностных зон районов с менее влажным климатом. He удивительно, что минералогические зоны вертикального профиля выветривания повторяют широтную минералогическую зональность (фиг. 59).

Таким образом, наши исследования показывают, насколько важно учитывать структурные условия, которые так трудно оценить в природной обстановке, так как они непосредственно влияют на гидродинамику горизонтов данного профиля. Такое общее понятие, как «климатический дренаж», само по себе недостаточно для обозначения всех процессов разложения породы и возникновения новообразований, которые могут происходить в одном и том же вертикальном профиле выветривания.
Устойчивость почвенных новообразований и фактор продолжительности процесса. Как мы уже видели, в некоторых условиях амфотерные катионы (Al—Fe) могли полностью сохраняться среди продуктов выветривания, тогда как кремнезем и катионы оснований претерпевали более или менее значительный вынос. Это открывало возможность для возникновения остаточных новообразованных минералов, причем в этом случае следует отметить следующие особенности:

1. При интенсивном выносе кремнезема и основных катионов, как, например, в эксперименте, в горизонте выветривания через небольшой отрезок времени оставались только новообразования алюминия и железа (гиббсит — гётит). В данном случае мы имеем дело с процессом ферраллитизации. В этих условиях первичный материал подвергался полному разложению и достигалось состояние геохимической устойчивости. Продолжающееся действие атмосферных агентов уже не оказывало никакого влияния на элювиальный горизонт выветривания. Таким образом, продукты завершенной ферраллитизации генетически стабильны в данных условиях выветривания и, по-видимому, не изменяются во времени.

2. При относительно слабом выносе кремнезема и оснований в горизонте выветривания вместе с полуторными окислами сохраняется некоторое количество подвижных элементов (SiO2, MgO), вследствие чего в остаточной фазе способны формироваться новообразованные силикатные минералы. Обычно они представлены слоистыми алюмосиликатами (монтмориллонит, иллит, каолинит) или магнийсодержащими глинистыми минералами (например, сапонит), что было подтверждено экспериментально.

Рассмотрим дальнейший ход преобразования глинистых минералов. В том случае, если продолжают действовать атмосферные факторы, геохимическая эволюция горизонта выветривания вряд ли может прекратиться. Кремнезем и в особенности магний должны по-прежнему выноситься; процесс завершится лишь тогда, когда будет достигнута стадия устойчивых гидроокислов Al и Fe, образующихся за счет алюмосиликатных новообразований первой стадии выветривания. Эти последние постепенно разрушаются либо вплоть до полного растворения, как в данном примере магнезиальные силикаты, либо до появления новых, менее богатых кремнеземом алюминийсодержащих минералов; наконец, при полной десилификации от тех и других остаются лишь гидроокислы чистого алюминия.

Данный процесс может развиваться с разной скоростью в одних и тех же условиях в зависимости от степени устойчивости промежуточных вторичных минералов. Так, очень хрупкие железо-магнезиальные слоистые силикаты, все составные части которых способны мигрировать, очень неустойчивы, тогда как алюминийсодержащие глинистые минералы, которые более устойчивы и требуют гораздо большего времени для своего распада, можно считать метастабильными. Тем не менее, если период выветривания будет продолжаться достаточно долго, процесс изменения через последовательно сменяющиеся промежуточные этапы в конце концов завершится отчетливо выраженной латеритной стадией, аналогичной той, которая возникает сразу под влиянием более агрессивного климата. Другими словами, в этом случае осуществляется непрямая (транзитная) ферраллитизация, что полностью согласуется с точкой зрения Полынова. Следовательно, в таких условиях ферраллитизация в течение очень длительного периода находится в потенциальном состоянии.
Выводы. Имеющиеся данные по процессам ферраллитизации и подзолообразования позволяют сделать следующие выводы (табл. 141):

1. Существуют процессы, такие, как подзолообразование и ферраллитизация, которые являются прямым и непосредственным результатом химического выветривания. Подобные процессы развиваются достаточно полно за относительно короткие периоды и могут быть использованы для маркировки времени почвообразования.

2. Напротив, транзитная ферраллитизация предполагает существование чрезвычайно длительных периодов воздействия климатических факторов, вероятно около миллиона лет. В этих условиях только минералы первого этапа новообразования (сиаллитизация — формирование триоктаэдрических, главным образом магнезиальных и железо-магнезиальных глинистых минералов) соответствуют определенной стадии почвообразования. Гидроокислы конечной стадии представляют собой продукты очень длительного процесса; они образуются в течение геологического времени.

Все это лишний раз подчеркивает, что простой латеритный профиль на поверхности Земли может возникнуть в совершенно различных генетических условиях.





Яндекс.Метрика