Гипергенные минералы и коры выветривания

Гипергенные минералы и коры выветривания. Как показано выше, выветривание — это не просто разрушение минералов

а сложный процесс, при котором часть первичных минералов полностью разрушается, часть испытывает определенное преобразование, сопровождающееся возникновением новых, вторичных (гипергенных) минералов. Некоторые из них образуются синтетически за счет продуктов разрушения первичных минералов.

Приведем краткую характеристику наиболее распространенных гипергенных минералов, образующих кору выветривания.

Силикаты в зоне гипергенеза распространены не меньше, чем в изверженных породах, но представлены минералами совершенно иного кристаллохимического строения. Особенно типичны для коры выветривания так называемые глинистые минералы. Они характеризуются чрезвычайной дисперсностью и крайней незначительностью размеров, которые, как правило, не превышают нескольких микрометров, а обычно менее одного микрометра. Часть этих минералов аморфна, но подавляющее большинство имеет кристаллическое строение. Их кристаллическая структура слоистая, напоминает структуру слюды, но строение пакетов и характер их связи у различных минералов этой группы неодинаковы.

В кристаллической структуре каолинита чередуются плоские Двухслойные пакеты (рис. 4, а). Нижний слой (I) состоит из кремнекислородных тетраэдров, верхний (II) — из сочетания гидроксильных ионов и ионов алюминия (алюмогидроксильных октаэдров). Кристаллическая решетка каолинита “неподвижна”, поэтому этот минерал не разбухает от воды. Его формула А14(ОН)8 [Si4O10]. Каолинит — один из конечных продуктов выветривания первичных силикатов. Он весьма распространен в Древней коре выветривания.

Рис. 4 Схема кристаллохимической структуры каолинита (а) и монтмориллонита (б): 1 — ионы AI3+; 2 — ионы ОН»; 3 — кремнекислородные тетраэдры

Структура монтмориллонита характеризуется тремя слоями в плоских пакетах. Нижний и верхний слои представлены слоями кремнекислородных тетраэдров, а между ними заключен слой алюмогидроксильных октаэдров (рис. 4, б). При этом кремний в тетраэдрах может частично замещаться алюминием, а алюминий в среднем слое — магнием, железом, никелем, цинком, медью и другими химическими элементами. Формулу монтмориллонита обычно пишут в следующем виде:

Отношение т : п, как правило, равно 0,8—0,9.

Особенностью структуры монтмориллонита является разделение трехслойных пакетов слабосвязанными молекулами Н2О. Кристаллическая решетка монтмориллонита, в отличие от каолинита, подвижна: в межпакетные пространства может входить вода и, раздвигая пакеты, вызывать резкое набухание массы монтмориллонитовых глин. При набухании монтмориллонито-вые глины увеличиваются в объеме почти в 10 раз.

Часто при выветривании происходит образование не столько собственно монтмориллонита, сколько некоторых минералов этой группы. Так, например, при выветривании основных изверженных пород очень часто образуется нонтронит — минерал группы монтмориллонита, сильно обогащенный железом.

Гидрослюды составляют значительную часть дисперсных силикатов зоны гипергенеза и весьма распространены в современных почвах. Подобно понятию “полевые шпаты” понятие “гидрослюды” включает в себя целую серию минералов. Кристалло-химическая структура гидрослюд как бы занимает переходное положение между структурой слюд и монтмориллонита. Гидрослюды обладают трехслойными пакетами, которые между собой соединяются ионами гидроксония и калия. Их формула (К, Н3О) Al2(OH)2[AlSi3O10]. Образование гидрослюд в результате гипергенного преобразования слюдистых минералов хорошо изучено. Этот процесс протекает с сохранением элементов кристаллохимического строения исходных минералов (трехслойных пакетов). Значительно более сложно образование гидрослюд за счет других силикатов (например, полевых шпатов), сопровождающееся полной перестройкой кристаллической решетки.

Аллофаноиды — минералы переменного состава, который выражают формулой п • SiO2 ‘ т • (Al, Fe)2O3 • р • Н2О. Они возникают в результате синтеза оксидов кремния и алюминия, освободившихся при выветривании первичных силикатов.

Минералы группы гидроксидов железа — гидрогетит FeO • ОН • п • Н2О, гидрогематит Fe2O3 • п • Н2О — распространенные новообразования зоны гипергенеза. Как правило, они типичны для выветривания в условиях влажного климата. При этом для тропических условий характерно образование гидрогематита, а для умеренного климата — гидрогетита.

Минералы группы гидроксидов марганца — пиролюзит, псиломелан — по условиям своего образования при выветривании весьма близки к минералам гидроксидов железа. Химический состав их очень сложен, условно их формулу пишут так:

где R — одно- и двухвалентные катионы.

Опал SiO2 • п -Н2О образуется при выветривании в сухом и жарком климате при близком положении грунтовых вод.

Минералы группы гидроксидов алюминия — гидраргиллит АЦОН)3, диасприбёмит А1О • ОН — характерны для К°РЫ выветривания влажных и переменно-влажных тропиков.

Поведение алюминия в процессе выветривания во многом еще неясно.

Карбонаты. Наиболее распространенный минерал этой группы кальцит СаСО3. Он образуется при выветривании в засушливых и сухих условиях. Обычно он встречается в виде тонких налетов, стяжений, а в определенных географических условиях — в форме сплошных кор, наподобие бетона покрывающих поверхность.

Среди сульфатов и хлоридов, наиболее распространенных при гипергенезе, укажем гипс CaSO4 • 2Н2О, мирабилит Na2SO4 • 10Н2О, г а л и т NaCl. Эти минералы образуются в засушливых условиях при близком расположении грунтовых вод.

Кора выветривания, формирующаяся в условиях хорошо дренируемого междуречья, называется автоморфной или элювиальной. Ее состав постепенно и закономерно изменяется сверху вниз от продуктов выветривания, претерпевших наиболее сильное преобразование, до исходной породы, не затронутой гипергенными процессами. Процессы выветривания совершаются чрезвычайно медленно. В результате длительного выветривания, продолжавшегося многие миллионы лет, образовывались мощные автоморфные коры, в разрезе которых хорошо выделяются горизонты, отличающиеся минералогическим составом.

Для выветривания горных пород необходима энергия, которая расходуется на разрушение кристаллохимических структур галогенных минералов и построение гипергенных. Источником энергии для гипергенных процессов является солнечная радиация, но интенсивность выветривания необязательно будет возрастать соответственно увеличению радиационного баланса от; полюсов к экватору. Степень использования поступающей энергии зависит от атмосферного увлажнения. Как бы долго ни, подвергались полевые шпаты воздействию солнечного излучения, они не превратятся в каолинит при отсутствии жидкой воды, необходимой для химических и биогеохимических реакций. Поэтому в засушливых, аридных условиях степень использования энергии солнца невелика и интенсивность выветривания сильно понижена. В гумидных ландшафтах, в условиях значительного атмосферного увлажнения, полнота использования солнечной радиации сильно возрастает.

Мощные коры выветривания характерны для периодов длительного (десятки миллионов лет) сохранения гумидных условий. Древнейшая кора выветривания на территоррии нашей страны обнаружена в Карелии. Она образована около 2 млрд лет назад. Более позднего возраста коры известны во многих районах. Особенно широко распространена кора выветривания, образованная на протяжении мезозоя и палеогена. Ее остатки сохранились во многих районах мира, в том числе в пределах России.