23.03.2018

О геохимических особенностях различных зональных процессов, действующих при поверхностном выветривании пород (цикл алюминия-кремнезема)


Главные компоненты алюмосиликатных пород по их геохимическим особенностям разделяются на три группы: 1) кремнезем SiO2; 2) амфотерные катионы Al, Fe, Ti, Cr и др.; 3) катионы оснований К, Na, Ca, Mg. Эти компоненты идут на построение вторичных минералов и в особенности новообразованных диоктаэдрических глинистых минералов, возникающих в процессе поверхностного выветривания. Кремнезем является основным элементом тетраэдрических слоев, алюминий главным образом участвует в построении октаэдрических слоев решетки слоистых силикатов, другие элементы этой группы в природных условиях имеют тенденцию образовывать самостоятельные соединения — окислы и гидроокислы (Fe2O3 — FeO2H) или гидратированные окислы (TiO2*2Н2O). Катионы оснований играют главным образом роль ионов-компенсаторов, занимающих межслоевые промежутки.

Таким образом, характер новообразованных минералов, или, другими словами, геохимический тип выветривания, зависит в основном от динамики поведения кремнезема, алюминия и катионов оснований в процессе разложения первичной породы.

В условиях биосферы SiO2 и основания всегда выносятся при процессах промывания со скоростью, определяемой агрессивностью климатических факторов, а алюминий либо сохраняется на месте, либо выносится в зависимости от pH среды выветривания (настоящая работа автора). Следовательно, при изучении процессов изменения пород на поверхности Земли необходимо учитывать множество различных факторов, которые определяются спецификой поведения алюминия.

Например, при воздействии кислых растворов (pH < 4) скорость выноса алюминия существенно превышает скорость выноса кремнезема: q (Al2O3) > q (SiO2). Элювиальный горизонт, который постепенно обедняется Al2O3, в конце концов приобретет чисто кремнеземистый состав. В этом случае речь идет о подзолообразовательном процессе, который развивается чаще всего в холодной бореальной зоне, где растительность и лесная подстилка создают кислую среду.

Во всех остальных условиях земной поверхности (умеренная и тропическая зоны), где действует только гидролиз, Al выносится очень слабо; здесь всегда соблюдается следующее соотношение скоростей выноса: q (Al2O3) < q (SiO2). В этом случае существует возможность построения на месте октаэдрических слоев (Al) и, следовательно, новообразования глинистых минералов. Однако характер новообразованных соединений зависит также от динамики поведения других компонентов, особенно кремнезема, который обеспечивает построение тетраэдрических слоев и катионов оснований, выполняющих роль компенсаторов отрицательных зарядов тетраэдрических или октаэдрических слоев. Таким образом, на основе одного и того же октаэдрического алюминиевого слоя может образоваться три типа глинистых минералов:

1. При слабом выносе кремнезема в элювиальном горизонте находится такое количество SiO2, которое способствует образованию глинистых минералов с двумя слоями кремнезема (иллит, монтмориллонит и др.), между которыми частично удерживаются катионы оснований.

2. Если происходит заметный вынос кремнезема, то концентрация SiO2 в элювиальной среде становится слабой, что способствует кристаллизации глинистых минералов с одним кремнекислородным слоем (каолинит), поверхность которого всегда нейтральна. Характерен полный вынос катионов оснований.

3. В случае интенсивной десилификации в выветривающемся горизонте возникает дефицит SiO2, так что октаэдрические алюминиевые слои остаются ненарушенными; в этом случае образуются свободные гидроокислы или оксигидроокислы (гиббсит, бёмит).

Следовательно, именно динамика поведения кремнезема определяет тип новообразований, возникающих при гидролизе первичных минералов. Однако в настоящее время еще трудно выразить скорость десилификации материала в абсолютных величинах. Поэтому была сделана попытка вычислить относительные величины, использовав для сравнения катионы оснований. Такие соотношения можно представить в виде следующего молекулярного отношения:
которому соответствует параметр R первичных пород. Если какой-либо первичный материал подвергался полной латеритизации, т. е. SiO2связан и основания полностью выносились, отношениеL = SiO2вынесен/Основания вынесен становилось равным R. Данные экспериментальных исследований указывают, что процесс разложения в первом приближении постоянен во времени. Следовательно, когда величина L, вычисленная для дренажных воддля данного типа выветривания, по крайней мере равна величине R(L > R), наблюдающийся процесс представляет собой латеритизацию (аллитизацию). С точки зрения относительных скоростей выноса сущность такого процесса можно выразить отношением
Наоборот, если L < R, то в процессе выветривания SiO2 выносился относительно медленнее, чем основания. В этом случае кремнезем, высвобожденный из решеток первичных минералов, полностью не удалялся, так что создавались условия для формирования глинистых минералов, в состав которых входил алюминий (сиаллитизация Гаррасовица). Однако, как уже указывалось выше, при этом могли осуществляться два процесса, а именно: образование слоистых силикатов типа 2 : 1 (бисиаллитизация) или образование глинистых минералов типа 1 : 1 (моносиаллитизация). В связи с этим определенный интерес представляет попытка выявить геохимические критерии, позволяющие различить эти образования.

Допустим, например, что первичная порода была полностью каолини-зирована; основания были вынесены. Тогда количество вынесенного кремнезема будет равно содержанию связанного SiO2 исходного материала минус количество SiO2, вошедшего в решетку новообразованного каолинита (2SiO2*Al2O3*2Н2O). Другими словами, количество вынесенного SiO2 будет равно удвоенному молекулярному количеству Al2O3 породы, поскольку в этих условиях преобразования весь первичный алюминий сохраняется на месте и идет на построение каолинита. Таким образом, в момент завершения каолинизации молекулярная величина Lk для вынесенных элементов будет определяться следующим уравнением:
Как и в случае латеритизации, рассчитывается величина L дренажных вод, вызвавших каолинизацию. Она лежит в пределах между величинами Lk и R, что отвечает образованию каолинита в остаточных продуктах выветривания. Напротив, когда L < Lk, вынос SiO2 становится настолько слабым, что происходит формирование двуслойных глинистых минералов.

Поскольку для каждого типа породы (R) существует своя определенная величина Lk, то необходимо установить отношение R и Lk в породах. С этой целью оба параметра были определены для 39 изверженных пород с известным химическим и минеральным составом, которые включали все типы эндогенных пород за исключением ультраосновных. Расчеты показали, что среднюю величину Lk можно получить по формуле Lk = 0,64R. Отсюда следует, что если установлено неравенство 0,64 L < R, или 0,64*q (основания) q (SiO2) < q (основания), то процесс соответствует моносиаллитизации (образование каолинита). Если же L < 0,64R, т. е. если q(SiO2) < 0,64*q (основания), то осуществляется процесс образования слоистых силикатов типа 2:1.
В заключение следует отметить, что с помощью данных геохимических параметров можно выделить четыре основных типа (зоны) выветривания, которые приведены в табл. 1.

Данные о составе инфильтрационных (дренажных) вод, полученные экспериментально при изучении выветривания в лизиметре, а также результаты исследования природных объектов подтверждают достоверность выделения четырех основных типов выветривания. Однако необходимо расширить исследования природных объектов, что осложняется отсутствием достаточных данных о составе поверхностных вод.





Яндекс.Метрика