1.4.1.2. Химическое выветривание

Химическое выветривание – это химические реакции минералов с кислородом воды и воздуха, углекислым газом, органическими кислотами с образованием новых минералов, устойчивых в условиях земной поверхности. В отличие от глубинных частей земной коры поверхностные условия характеризуются низкой температурой и давлением, избытком кислорода и углекислого газа. Важную роль в процессах химического выветривания играют поверхностные воды. Они также как и гидротермы, циркулирующие в земной коре, имеют слабощелочную или слабокислую реакцию. Повышенная концентрация водородных ионов, обусловливающая слабокислую реакцию воды, особенно характерна для экваториальных и субэкваториальных лесов. Поверхностные воды этих природных зон отличаются более высокой температурой, содержат гуминовые кислоты и углекислоту, образующиеся за счет разложения органических остатков. Количественно кислотность и щелочность среды характеризуется показателем РН, значения которого равны взятому с обратным знаком десятичному логарифму концентрации водородных ионов. У воды с нейтральной реакцией РН равно 7, с кислой – меньше 7, со щелочной – больше 7.

Органические кислоты, содержащиеся в природных водах, способствуют образованию почв. Почва – агрегат минеральных и органических веществ, а также воздуха и воды, способный поддерживать рост растений. Почвы формируются в результате выветривания на месте или из рыхлого материала, перенесенного из других мест. На их формирование влияют: растительность, климат, рельеф, состав пород, время формирования. Наиболее плодородный слой почв называется гумус.

Процессы, протекающие при химическом выветривании можно свести к следующим реакциям – окислению, гидратации, растворению и гидролизу. Окисление минералов связано с присоединением к ним кислорода, растворенного в воде и, в меньшей степени, кислорода воздуха. Наиболее сильно процессам окисления подвергаются минералы, образовавшиеся в условиях недостатка кислорода и содержащие закисные соединения железа, марганца, кобальта.

К ним относятся в частности железомагнезиальные силикаты, образующиеся в результате кристаллизации магмы. В условиях избытка кислорода, содержащиеся в этих минералах закисные соединения переходят в окисные. Кроме того, в поверхностных условиях процессам окисления интенсивно подвергаются сульфиды. На многих сульфидных месторождениях можно наблюдать верхнюю окисленную их часть бурого цвета («железную шляпу»), представляющую собой бурый железняк, образованный путем окисления сульфидов железа. Процесс окисления сульфида железа (пирита) очень сложен. В начале образуется сульфат закиси железа, затем сульфат окиси железа, далее – водная окись железа (лимонит) или так называемый бурый железняк:

FeS₂ + nO₂ + mH₂O → FeSO₄ → Fe₂(SO₄)₃ → Fe₂O₃ ∙ nH₂O

Пирит Сульфат Сульфат Лимонит -

закиси окиси гидроокись

железа железа железа

Иногда в зонах окисления медных сульфидных месторождений, особенно там, где они залегают на известняках, образуются малахит и азурит – карбонаты меди.

Гидратация – процесс связывания частиц растворимого в воде вещества с молекулами воды. Этот процесс может ограничиваться закреплением молекул воды на поверхности отдельных участков кристаллической решетки минерала. Такая вода называется гидратной, а образовавшиеся минералы – гидратами:

FeO(OH) → FeO(OH) ∙ nH₂O

Гётит Гидрогётит

Реакции гидратации большей частью обратимы. Обратная реакция отсоединения воды называется дегидратацией. Гидратная вода, входящая в структуру кристаллической решетки минерала, называется кристаллизационной, а минералы – кристаллогидратами. Особенно легко образуются кристаллогидраты различных солей. Например, реакция образования минерала гипса:

CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄ ∙ 2H₂O

Ангидрит Гипс

Растворение наиболее интенсивно протекает в осадочных горных породах, а именно – хлоридных, сульфатных и карбонатных. В результате образуются специфические карстовые формы рельефа (пещеры, карстовые воронки).

Гидролиз – реакция обменного разложения между водой и различными химическими соединениями, способными под действием молекул воды расщепляться на более низкомолекулярные соединения с присоединением ионов (Н⁺ и ОН^-) по месту разрыва связей. К числу соединений, способных подвергаться гидролизу, принадлежат силикаты и алюмосиликаты. Они стадийно, с последовательным образованием нескольких минералов, распадаются до окислов, гидроокислов и некоторых солей. Например, серпентин в результате гидролиза распадается на окислы магния и кремния. На последней стадии гидролиза полевых шпатов образуются минералы группы глин (например, каолинит, который в условиях земной поверхности достаточно устойчив), а на месте магматических или метаморфических пород (в состав которых входят полевые шпаты) возникают месторождения глин, обогащенные гидроокислами железа, алюминия, кремния, реже марганца и титана.