Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Химическое выветривание

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ и ГАЗА

имени И.М. Губкина

КАФЕДРА ГЕОЛОГИИ

Курсовая работа

на тему: «Химическое выветривание»

Руководитель проекта Студент групп ГФ - 10 - 3

к.г.-м.н., доцент

Л.Ф. Горюнова Зайцев Гена

Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………2

1.Выветривание…………………………………………………………..3

2.Химическое выветривание…………………………………………….4

2.1Окисление……………………………………………………………..5

2.2Гидратация…………………………………………………………….6

2.3Растворение…………………………………………………………...7

2.4Гидролиз………………………………………………………………8

3.Кора выветривания…………………………………………………….10

4.Роль органического мира в процессах химического выветривания..14

5.История изучения………………………………………………………15

6.Заключение……………………………………………………………..16

7.Список использованной литературы…………………………………………………….17

ВВЕДЕНИЕ

В качестве темы курсовой работы я выбрал «Химическое выветривание». И это отнюдь не случайно, ведь эта тема привлекла моё внимание ещё во время сессии при подготовке к экзамену по геологии. На самом деле, мы знаем очень мало об окружающем нас мире и о роли тех или иных процессов в нашей жизни.

Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определённым физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания - вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (Н+) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН -). Это определяет её возможность вступать в реакцию с кристаллическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении и гидролизе.

1.ВЫВЕТРИВАНИЕ

Под выветриванием понимается совокупность физических, химических и биохимических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов в приповерхностной части земной коры. Это преобразование зависит от многих факторов:

Колебаний температуры;

Химического воздействия воды и газов – углекислоты и кислорода (находящихся в атмосфере и в растворённом состоянии в воде);

Воздействия органических веществ, образующихся при жизни растений и животных, при их отмирании и разложении;

Написанное свидетельствует о том, что процессы выветривания тесно связаны с взаимодействием приповерхностной части земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Именно граничная область разных фаз обладает высокой реакционной способностью. Часть земной коры, в которой происходит преобразование минерального вещества, называется зоной выветривания или зоной гипергенеза (от греч. “гипер” – над,сверху). Процесс гипергенеза, или выветривания, очень сложен и зависит от климата, являющегося одной из главных причин и движущих сил процесса выветривания. Из всей совокупности климатических элементов наибольшее значение имеют тепло (приходно-расходный баланс лучистой энергии и др.) и степень увлажнения (водный режим). В зависимости от преобладания тех или иных факторов в едином и сложном процессе выветривания условно выделяются два взаимосвязанных типа:

Физическое выветривание;

Химическое выветривание.

2.ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязь различных форм единого процесса выветривания. Физическая дезинтеграция резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определённым физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания – вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (Н +) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН -). Это определяет ее возможность вступать в реакцию с кристаллическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания.

Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда в водном растворе присутствуют кислород, углекислота и органические кислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повышают диссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно в тропических и субтропических зонах, где имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры, пышной растительности и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате чего значительно возрастает концентрация углекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Химическое воздействие на горные породы оказывают находящиеся в воде растворённые ионы, такие, как HCO 3 - , SO -4, Cl-, Ca-, Mg +, Na +, K +. Эти ионы также могут замещать заряженные атомы в кристаллах или взаимодействовать с ними, что может приводить к нарушению первичной кристаллической структуры минералов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключается в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении и гидролизе.

2.1 Окисление

Окисление особенно интенсивно протекает в минералах, содержащих железо. В качестве примера можно привести окисление магнетита, который переходит в более устойчивую форму – гематит (Fe204 Fe203). Такие преобразования констатированы в древней коре выветривания КМА (Курская магнитная аномалия), где разрабатываются богатые гематитовые руды. Интенсивному окислению (часто совместно с гидратацией) подвергаются сульфиды железа. Так, например, можно представить выветривание пирита:

FeS2 + mO2 + nН2О = FeS04 = Fе2(SО4) = Fе2O3.nН2О

бурый железняк или лимонит

На некоторых месторождениях сульфидных и других железных руд наблюдаются “бурожелезняковые шляпы”, состоящие из окисленных и гидратированных продуктов выветривания. Воздух и вода в ионизированной форме разрушают железистые силикаты и превращают двухвалентное железо в трехвалентное.

Рис.1 “Сырой” изумруд в горной породе

2.2 Гидратация

Под воздействием воды происходит гидратация минералов, т.е. закрепление молекул воды на поверхности отдельных участков кристаллической структуры минерала. Примером гидратации является переход ангидрита в гипс: ангидрит - CaSO4+2H2O = CaSO4 *2H20 - гипс. Гидратированной разновидностью является также гидрогётит: гётит - FeOOH + nH2O FeOH*nH2O - гидрогётит.

Процесс гидратации наблюдается и в более сложных минералах – силикатах.

Рис.2 Вермикулитовая руда, образующаяся при гидратации базальтовых минералов.

Рис.3 Гипс, образованный при гидратации ангидрита.

2.3 Растворение.

Многие соединения характеризуются определённой степенью растворимости. Их растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности горных пород и просачивающейся через трещины и поры в глубину. Ускорению процессов растворения способствует высокая концентрация водородных ионов и содержание в воде О2, CO2 и органических кислот. Из химических соединений наилучшей растворимостью обладают хлориды – галит (поваренная соль), сильвин и др. На втором месте – сульфаты – ангидрит и гипс. На третьем месте карбонаты – известняки и доломиты. В процессе растворения указанных пород в ряде мест происходит образование различных карстовых форм на поверхности и в глубине.

Рис.4 Известняк.

2.4 Гидролиз.

При выветривании силикатов и алюмосиликатов важное значение имеет гидролиз, при котором структура кристаллических минералов разрушается в результате действия воды и растворённых в ней ионов и заменяется новой, существенно отличной от первоначальной и присущей вновь образованным гипергенным минералам. В этом процессе происходит следующее:

Каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, свойственную вновь образованным глинистым гипергенным минералам;
Вынос из кристаллической решётки полевых шпатов растворимых соединений сильных оснований (K, Na, Ca), которые, взаимодействуя с CO2, образуют истинные растворы бикарбонатов и карбонатов (K2CO3, Na2CO3, CaCO3). В условиях промывного режима карбонаты и бикарбонаты выносятся за пределы места их образования. В условиях же сухого климата они остаются на месте, образуют местами плёнки различной толщины или выпадают на небольшой глубине от поверхности (происходит карбонизация);
Частичный вынос кремнезёма;
Присоединение гидроксильных ионов;

Процесс гидролиза протекает стадийно с последовательным возникновением нескольких минералов. Так, при гипергенном преобразовании полевых шпатов возникают гидрослюды, которые затем превращаются в минералы группы каолинита или галуазита:

K[AlSi3O8] (К,Н3О)А12(ОН)2[А1Si3О10] * Н2O Аl4(ОН)8[Si4O10]

Ортоклаз гидрослюда каолинит

В умеренных климатических зонах каолинит достаточно устойчив и в результате накопления его в процессах выветривания образуются месторождения каолина. Но в условиях влажного тропического климата может происходить дальнейшее разложение каолинита до свободных окислов и гидроокислов:

Al4(OH)8[Si4O10] Al(OH)3+SiO2* nH2O

гидраргиллит

Таким образом, формируются окислы и гидроокислы алюминия, являющиеся составной частью алюминиевой руды - бокситов.

При выветривании основных пород и особенно вулканических туфов среди образующихся глинистых гипергенных минералов наряду с гидрослюдами широко развиты монтмориллониты (Al2Mg3) [Si4O10](OH)2*nH2O и входящий в эту группу высокоглиноземистый минерал бейделлит А12(ОН)2[А1Si3О10]nН2O. При выветривании ультраосновных пород (ультрабазитов) образуются нонтрониты, или железистые монтмориллониты (FeAl2)[Si4O10](OH)2. nН2О. В условиях значительного атмосферного увлажнения происходит разрушение нонтронита, при этом образуются окислы и гидроокислы железа (явление обохривания нонтронитов) и алюминия.

Рис.5 Гидролиз и выветривание слюды биотита.

3.Кора выветривания.

В результате единого и сложного взаимосвязанного физического и химического процессов разрушения горных пород образуются различные продукты выветривания. Остаточные или несмещенные продукты выветривания, остающиеся на месте разрушения материнских (коренных) горных пород, представляют собой один из важных генетических типов континентальных образований и называют элювием. Кора выветривания объединяет всю совокупность различных элювиальных образований. Такая остаточная кора выветривания называется автоморфной (греч. "аутос" - сам). Помимо первичной автоморфной коры выветривания ряд исследователей (П. И. Гинзбург, В. А. Ковда, В. В. Добровольский и др.) выделяют вторичную, или гидроморфную, кору выветривания, образующуюся в результате выноса почвенными и грунтовыми водами химических элементов в виде истинных и коллоидных растворов в ходе формирования первичной автоморфной коры. Эти элементы, выносимые растворами, выпадают в виде минералов в пониженных элементах рельефа. Такую взаимосвязь автоморфной и гидроморфной кор выветривания называют геохимической сопряженностью, что имеет важное значение. Так, например, с автоморфными латеритными корами выветривания с гидроокислами алюминия сочетаются местами, расположенные по соседству и орографически ниже залежи бокситов осадочного происхождения.

Рис. 4.2. Схема полного профиля коры выветривания в тропической лесной области:

1- неизмененная порода, зоны:

2- дезинтегрированная, 3- гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделитовая, 4-каолинитовая, 5- гиббсит-гематит-гетитовая.

В истории геологического развития земной коры неоднократно возникали благоприятные условия для образования мощных автоморфных кор выветривания, к числу которых относятся: сочетания высоких температур и влажности, относительно выровненный рельеф, обилие растительности и продолжительность периода выветривания. При достаточно длительном времени выветривания и соответствующих условиях образуются хорошо выраженные зоны коры выветривания, имеющие свои текстурно-структурные особенности и сложенные минералами, отражающими последовательные стадии развития. Значительная мощность и наиболее полный профиль коры выветривания формировался в тропической лесной области, где выделяются следующие зоны: дезинтегрированная, гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовая, каолинитовая, гиббсит-гематит-гётитовая. Благодаря присутствию окислов и гидроокислов Аl и Fe элювий верхней части коры выветривания в сухом состоянии напоминает обожженный кирпич, часто образующий панцири и окрашенный в красный цвет. Поэтому такие коры выветривания называются латеритными (лат. "латер" - кирпич). Приведенные данные показывают, что состав полного профиля автоморфной коры выветривания изменяется снизу вверх от свежей исходной породы до продуктов наиболее глубокого гипергенного преобразования.

Б. Б. Полыновым и П. И. Гинзбургом была намечена схема последовательности, или стадийности, процесса выветривания магматических пород. Были выделены четыре стадии:

обломочная, в которой гипергенное преобразование сводится к дроблению, механическому разрушению породы до обломочного материала (обломочный элювий);
сиаллитная, когда происходит извлечение щелочных и щелочноземельных элементов, главным образом Са и Na, которые образуют пленки и конкреции кальцита. Поэтому эта стадия называется обызвесткованной;
кислая сиаллитная, в которой происходят глубокие изменения кристаллохимической структуры силикатов с образованием глинистых минералов (монтмориллонита, нонтронита, каолинита);
аллитная, когда кора выветривания обогащается окислами железа, а при наличии определенного состава исходных пород - окислами алюминия.

Изложенное представление понимается исследователями как идеализированная схема, иллюстрирующая общую направленность процесса выветривания. Конкретные климатические условия и состав горных пород, существовавшие в отдельные этапы геологической истории, могли задерживать или, наоборот, ускорять этот процесс, в результате чего формировались сокращенные и неполные профили вплоть до образования однозонального профиля коры выветривания, как, например, в пустынях и полупустынях элювий состоит преимущественно из различных обломков, щебня, дресвы, образующихся при физическом выветривании, местами с карбонатными пленками. Аналогичный обломочный профиль характерен для тундры. В отличие от указанных наблюдаются сокращенные и неполные профили в условиях особо высоких температур и интенсивного водообмена, где в ряде случаев выпадают промежуточные зоны, местами вплоть до образования однозонального профиля, состоящего из свободных окислов и гидроокислов железа и алюминия, располагающихся на неизмененных породах.

Кроме того, и в полном профиле коры выветривания вертикальная зональность может быть объяснена не только стадийностью процесса, но и возможностью различия степени химического разложения первичных минералов в верхних и более глубоких зонах профиля. Ведь именно в верхней (приповерхностной) зоне расходуется значительная часть химически и биохимически активных веществ, и происходят наиболее интенсивные химические реакции и преобразования первичных минералов в глинистые и даже в свободные окислы и гидроокислы железа и алюминия. Глубже поступают уже обедненные, менее активные растворы, вследствие чего процессы преобразования минералов там замедляются и образуются промежуточные минералы - гидрослюды, монтмориллонит и др. Следует также учитывать избирательный характер выветривания. Не все породы и не все части одной породы выветриваются равномерно.

В трещиноватых участках пород выветривание происходит значительно легче, вдоль трещин образуются карманы продуктов выветривания. Кроме того, одни компоненты породы растворяются (или гидролизуются) легче, другие - трудней. В слоистых, различных по составу породах также в ряде случаев наблюдается избирательное выветривание. Одни слои более подвержены выветриванию, другие менее, в результате местами возникают останцы более устойчивых слоев (в виде столбов, башен) на фоне продуктов выветривания разрушенных слоев.

Среди кор выветривания выделено два основных морфогенетических типа:

площадной;
линейный.

Площадные коры выветривания развиваются в виде покрова или плаща, занимают местами обширные площади до десятков и сотен квадратных километров, представляющие различные выровненные тектонически спокойные поверхности рельефа.

Линейные коры выветривания имеют линейное распространение в плане и приурочены к зонам повышенной трещиноватости, к разломам и контактам различных по составу и генезису горных пород. В этих условиях происходит более свободное проникновение воды и связанных с ней химически активных компонентов, что вызывает интенсивный процесс химического выветривания.

Рассмотренные примеры показывают, что общий процесс формирования кор выветривания весьма сложен, зависит от сочетания многих факторов и представляет собой несколько взаимосвязанных явлений:

разрушение и химическое разложение горных пород с образованием продуктов выветривания;
частичный вынос и перераспределение продуктов выветривания;
синтез новых минералов в результате взаимодействия продуктов выветривания в ходе их миграции;
метасоматическое (греч. "мета" - после, "сома" - тело) замещение минералов материнских пород. В направленности общего процесса выветривания большая роль принадлежит миграционной способности химических элементов.

4.Роль органического мира в процессах химического выветривания.

В сложных процессах химического разложения минералов и горных пород велика роль биосферы. Биогеохимическое воздействие на горные породы начинается уже с первых поселенцев на скальных поверхностях горных пород — различных микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате такого воздействия на скальной поверхности породы после их отмирания появляются углубления, заполненные cyхим органическим веществом (биомасса микробных и других тел). Все это подготавливает условия для последующего заселения скал высшими растениями и сопутствующей им фауной. Роль организмов в химическом выветривании определяется тем, что они поглощают из разрушаемой породы химические элементы в соответствии со своими биологическими потребностями (как питательные вещества). К числу таких элементов относятся Р, S, С1,К, Са, Mg, Na, Sr, В, в меньшей степени Si и Al, Fe и др.

Анализ золы растений показывает, что содержание и соотношение элементов в ней вследствие различной интенсивности их биологического поглощения существенно иные, чем в исходных породах, В золе содержится в десятки раз больше Р, S, в несколько раз больше К, Са, Mg, а также микроэлементов, меньше Si, Al и Fe. Вместе с тем наличие в золе Si и Al свидетельствует о том, что уже первичная камнелюбивая растительность разрушает прочные связи между кремнеземом и глиноземом в кристаллической решетке алюмосиликатов. Следует отметить, что организмы участвуют не только в разложении первичных минералов и усвоении их элементов, но и в построении из этих элементов, которые после отмирания и минерализации органического вещества сохраняются в виде особых биогенных соединений. Таким образом, биологический круговорот веществ, свойственный верхней части коры выветривания и особенно почвенного покрова, характеризуется определенной цикличностью и направленностью развития — от поглощения живыми организмами элементов из разрушаемых пород до отмирания организмов, минерализации органических веществ и возврата элементов в окружающую среду в новом качестве. Этот процесс протекает многоступенчато. Иногда имеет место ряд различных по продолжительности циклов, связанных с разной продолжительностью жизни организмов, включая самые короткие — микробиологические.

Таким образом, воздействие органического мира на горные породы сводится или к физическому разрушению их, или к химическому разложению. Следует подчеркнуть условность подразделения процессов выветривания на физические и химические. Это единые сложно взаимосвязанные процессы, действующие одновременно, особенно в верхнем слое почвы и материнских пород. Можно говорить лишь о преобладании физического или химического процесса в зависимости от климата, рельефа, состава горных пород и других факторов.

Избирательный характер выветривания.

В природных условиях отмечается неравномерность выветривания горных пород. Это связано с различной степенью трещиноватости горных пород. По трещиноватым зонам легче всего проникают вода и другие компоненты атмосферы и протекает интенсивный процесс выветривания в глубину, в результате которого образуются крупные, иногда с вертикальными склонами отрицательные формы рельефа(в случае выноса разрушенных частей). В слоистых и неоднородных по составу и твердости горных породах легче всего выветриваются менее прочные или более растворимые породы.

5.История изучения.

Изучение коры выветривания и процессов её образования начало проводиться в середине XIX века русским учёными В. В. Докучаевым, К. Д. Глинкой и др. Детальные исследования коры выветривания развернулись с 20-х годов XX века. В самостоятельный раздел геологии учение о коре выветривания оформилось в 1-й половине XX века. Основоположниками его были Б. Б. Полынов (современная кора выветривания) и И. И. Гинзбург (древняя кора выветривания). За рубежом значительный вклад в учение о коре выветривания внесли шведский учёный О. Тамм, американский учёный З. Келлер, немецкий геолог Г. Гаррасовиц и др.

6.Заключение.

Горные породы, слагающие земную кору, подвергаются денудации в результате их предварительного выветривания. Этот процесс приводит к появлению рыхлых (дисперсных) новообразований зоны гипергенеза, существенно отличных по своим физическим свойствам от исходных коренных пород.

Образование слоя выветрелых пород облегчает денудацию и одновременно затрудняет дальнейший доступ агентов выветривания к свежим, неизмененным коренным породам. Удаление процессами денудации выветрелого слоя активизирует выветривание, что в свою очередь создает условия для усиления денудации. В итоге между выветриванием и денудацией устанавливается подвижное равновесие, определяющее мощность продуктов выветривания в области положительных форм рельефа. Подвижное (динамическое) равновесие не исключает поступательного развития, в силу которого равновесие сдвигается в ту или иную сторону. Если преобладающую роль приобретает денудация, мощность современных продуктов выветривания для новых условий равновесия уменьшается. При замедленной денудации и, следовательно, более длительно выветривании равновесие будет достигнуто при больших значениях мощности продуктов выветривания.

Термин "выветривание" не отражает всей сложности процесса, но широко распространен в геологической, географической, почвенной литературе. В качестве синонима употребляется термин "гипергенез", введенный А. Е. Ферсманом. В едином и сложном процессе выветривания условно выделяются две основные взаимосвязанные формы:

физическое выветривание;
химическое выветривание.

Иногда выделяют еще органическое выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводятся или к механическому разрушению, или химическому разложению. Следовательно, органическое выветривание включается в условно выделенные две формы единого процесса.

7.Список литературы.

Якушова А.Ф., Хаин В.Е., Славин В.И. «Общая геология»: М.МГУ, 1988г.

«Кора выветривания». М.,1974.

Интернет-ресурсы: