Различаются два основных типа выветривания: физическое (механическое разрушение горной породы и минерала без изменения химико-минералогического состава) и химическое (изменение химического состава породы и минерала, обычно сопровождаемое потерей крепости). Процессы эти, как правило, протекают одновременно и взаимосвязанно, и разделить их порой бывает невозможно. Нередко механическое разрушение пород несколько опережает химическое выветривание, способствуя более интенсивному протеканию последнего. В то же время в зависимости от физико-географических условий и состава породы один тип выветривания может резко преобладать и, по существу, определять характер формирующихся элювиальных образований. В целом очевидна доминирующая роль в осадко- и россыпеобразовании процессов химического выветривания.
А.Г. Черняховский предлагает рассматривать, как самостоятельный, процесс образования относительно мощных толщ элювиальных дресвяников, называя его физико-химическим выветриванием. Суть последнего заключается в адсорбции воды на поверхности зерен смачивающихся минералов по микроскопическим субмолекулярным трещинам. Такие водные пленки, во-первых, расклинивают микротрещины (давление в них достигает нескольких тонн на квадратный сантиметр), а во-вторых, не позволяют смыкаться им во время температурного сжатия породы. Это чисто физическое явление сопровождается химическим воздействием гидратированной воды на минеральные зерна. Иногда в самостоятельный вид — органический выделяют ту разновидность химического выветривания, в осуществлении которой значительная роль принадлежит жизнедеятельности организмов и органическому веществу (органическим кислотам). Рядом специфических особенностей и в первую очередь сернокислым характером реакций отмечено развитие зон окисления сульфидных месторождений, которые обычно рассматривают как частный случай коры химического выветривания.
Физическое выветривание
Физическое выветривание приводит к распаду монолитной породы на обломки различной величины. Этому способствует то обстоятельство, что в приповерхностной зоне (зоне предразрушения, по А.Г. Черняховскому) глубинные породы, ранее испытавшие давление вышележащих масс, претерпевают перераспределение внутренних напряжений, вследствие чего увеличивается их объем и раскрываются ранее сомкнутые тектонические и литогенетические трещины.
Выветривание осуществляется в результате: 1) суточных и, в меньшей мере, годовых температурных колебалий и связанного с этим неравномерного теплового расширения и сжатия отдельных минералов и блоков горных пород (температурное выветривание) и 2) расклинивающего действия замерзающей в трещинах воды (морозное выветривание). Другие причины — «солевое» расклинивание, расклинивание корнями растений и т. д.— имеют, как правило, подчиненное значение.
Температурное выветривание наиболее интенсивно протекает в аридных областях и высокогорных нивальных районах средних и низких широт, характеризующихся резко континентальным климатом и /максимальными амплитудами колебания суточных температур (табл. 20). Среди возникающих в породах механических напряжений выделяются два типа. Первый, так называемый объемно-градиентный, связан с неравномерными нагреванием и охлаждением различных частей горной породы, более интенсивным — наружных и менее интенсивным — внутренних. Напряжения этого типа вызывают десквамацию (шелушение) пород, раскрытие существующих и реже возникновение новых трещин. По мере уменьшения размеров обломков значение температурного градиента в них будет падать, а процесс выветривания затухать. Минимальный размер щебенки, образованный таким путем при выветривании однородной породы, равен первым сантиметрам. Второй тип напряжений возникает вследствие резкой анизотропии тепловых свойств минералов — теплопроводности и температурного расширения. Выветривание этого рода проявляется охотнее в крупнозернистых полиминеральных породах и проникает на незначительную глубину. Отдельные минеральные зерна могут таким путем распадаться по микротрещинам и плоскостям спайности на частицы размером в сотые и тысячные доли миллиметра.
Таким образом, в результате температурного выветривания горные породы разрушаются в щебенку и мелкозем. Последний может удаляться из самой верхней части разреза и вмываться в нижележащую часть, в результате чего разрез приобретает зональное строение: начинается он маломощным щебенчатым горизонтом, вниз сменяется щебнево-суглинистыми образованиями, которые, в свою очередь, подстилаются щебнем и глыбами, с незначительным количеством мелкозема. Мощность таких элювиальных образований, как правило, не превышает 1 м.
Морозное выветривание максимально проявляется в сильно увлажненных районах с суровым климатом (см. табл. 20). Поскольку главную работу при этом производит замерзающая в трещинах вода, для успешного протекания морозного выветривания необходимо, чтобы температура достаточно часто переходила через 0°С. С другой стороны, наличие воды, естественно, обусловливает одновременное развитие процессов химического выветривания, а резкие колебания суточных температур летом и сильное переохлаждение грунта зимой — процессов температурного выветривания. Именно эти процессы, по мнению А.Г. Черняховского, влияют на образование щебневосуглинистого материала, нередко содержащегося среди продуктов морозного выветривания. Последние же представлены крупнообломочно-глыбовым элювием. Это связывается с прогрессирующим развитием самых крупных трещин как результат более низкий (и потому отстающей) точки замерзания воды, находящейся в тонких пленках и капиллярах. Давление же льда в крупных трещинах может достигать 2100 кг/см2. Мощность образованного таким путем крупнообломочного элювия равна 2—4, в отдельных случаях 10—15 м.
Химическое выветривание
Физико-химическая обстановка приповерхностной зоны литосферы резко отлична от таковой областей формирования глубинных пород, являющихся исходным материалом осадочных пород и россыпей. Поэтому многие гипогенные минералы и породы оказываются здесь неустойчивыми. Химическое выветривание в этом смысле можно представить кaк цепь химических реакций, натравленных на восстановление равновесия между породой и средой, т. е. реакций, приводящих к разложению, растворению неустойчивых минеральных соединений и образованию устойчивых при широком развитии процессов замещения первых вторыми.
Главнейшим условием успешного протекания химического выветривания, как и большинства химических реакций вообще, является наличие воды, выступающей либо как среда, либо как реагент, вызывающий такие важнейшие для зоны гипергенеза реакции, как гидролиз, гидратация, и участвующий в широко проявленных здесь процессах окисления. Роль воды в протекающих на поверхности Земли процессах огромна. Сказанным объясняется четкая приуроченность процессов химического выветривания к областям с влажным климатом. Н.М. Страхов отмечал, что «выветривание в гумидных зонах характеризуется сильным развитием химического и химико-биологического процессов, которые обычно оттесняют далеко назад процессы чисто физического разрушения пород». Даже дистиллированная вода, вследствие се способности диссоциировать, довольно активно реагирует со многими минералами. Природная же вода всегда содержит то или иное количество растворенных углекислоты, кислорода, органических кислот и других веществ, вследствие чего «агрессивность» ее существенно возрастает, а химические процессы приобретают определенную направленность. Эти вещества поступают в воду из атмосферы в результате разложения органической массы, жизнедеятельности организмов, растворения минеральных соединений и другими путями. Помимо отмеченных выше процессов, при химическом выветривании имеют место растворение, разнообразные ионные реакции и катионный обмен.
При гидратации к минералу присоединяется вода. Некоторые окислы и соли переходят в гидроокислы или в соединения с большим содержанием воды. Гидратация протекает с выделением энергии. Присутствие гидратной воды в минерале указывается в формуле либо в виде группы «ОН», как, например, в гиббсите — Al(OH)3, либо в виде n*H2O, как, например, в гипсе — СаСo4*2Н2O. Процесс сопровождается разбуханием вещества. Гидролиз — реакция обменного разложения между ионами диссоциированной воды (H+ и OH-) и ионами минерала. Это — наиболее мощный процесс разложения силикатов и алюмосиликатов (вплоть до окислов и гидроокислов). У.Д. Келлер дает следующую формулу гидролиза силикатов MSiAlOn + H+OH-⇔ M+OH- + [Si(ОН)0-4]n+[Al(OH)6]n03- или Al(OH)3 + (М, H)Al0SiAltOn, где n — неопределенные атомные отношения, а о и t — соответственнооктаэдрическая и тетраэдрическая координации; M —металлические катионы; Al изоморфный с Si, помещен в формулах после Si. Последний член правой части может быть представлен глинистым минералом, цеолитом или реликтовым силикатом. Степень гидролиза (h) увеличивается с разбавлением раствора и повышением температуры. Так, например, для реакции; Na2Co3 + HOH ⇔ NaHCo3 + NaOH указывается следующая зависимость h от концентрации (при t = 25°С):
Последнее обстоятельство свидетельствует об эндотермичном характере реакции. Процесс окисления состоит в потере веществом электронов, которые переходят на атомы и молекулы воздействующего вещества—окислителя. Основным окислителем зоны гипергенеза является кислород, который при окислении присоединяется к окисляемому веществу. Наиболее охотно окисляются минералы, содержащие в своем составе насыщенные электронами элементы с переменной валентностью, например: Fe2+, Mn2+, U4+. Окисление протекает с выделением тепла. Растворение твердых веществ — процесс экзотермический. Поэтому растворимость большинства минеральных солей возрастает с увеличением температуры. Описываемый процесс — чрезвычайно важный и распространенный, способствующий протеканию многих реакций и в первую очередь ионных. Катионный обмен состоит в замене катиона твердого вещества растворенным катионом, без существенной перестройки структуры. Перечисленные процессы часто протекают параллельно один с другим. В частности, гидратация нередко сопровождает окисление и гидролиз, растворение — многие другие реакции.
В результате химического выветривания исходные породы разделяются на остаточные продукты, формирующие кору выветривания и подвижные, которые выносятся за пределы выветривающего субстрата. При этом разные компоненты переходят в раствор и мигрируют с различной скоростью. Несколько наглядных примеров реакций, иллюстрирующих неодинаковое поведение в процессе выветривания различных элементов и соединений, дает в своей работе У.Д. Келлер, которые мы воспроизводим в табл. 21.
Первую принципиальную схему относительной подвижности основных компонентов дал Б.Б. Полынов, сравнив содержание их в гранитах и сухом остатке поверхностных вод. Основываясь на различном порядке значений для разных групп элементов (табл. 22), он, кроме того, пришел к выводу о стадийном выветривании и выделил следующие 4 стадии формирования коры химического выветривания: 1) стадия обломочной коры выветривания, 2) обызвесткованной или насыщенной сиаллитной, 3) остаточной кислой сиаллитной и 4) аллитноq коры выветрbвания. Первая из них предшествует энергичному выносу элементов и по существу является стадией физического, вернее физико-химического, выветривания. Третью, сиаллитную, иногда называют «глинистой», поскольку в нее происходит не только вынос щелочей и Ca и накопление Si, Al, Fe, Mn, но и образование основной массы глинистых минералов. В последнюю стадию вследствие энергичного выноса большинства элементов, включая кремнезем силикатов, происходит резкое обогащение остаточных продуктов окислами и гидроокислами Al, Fe, Ti, почему ее называют стадией либо «латеритного», либо «аллитного» выветривания. На первых стадиях выветривания условия среды — щелочные, на последующих — кислые. Указанный ряд был составлен для умеренно-гумидной климатической зоны. В других климатических обстановках он заметно меняется.
Более полные сведения о подвижности элементов в гипергенных условиях содержатся в геохимической классификации элементов А.И. Перельмана, которую мы воспроизводим в табл. 23. В ней отражены, как отмечает автор, наиболее характерные черты миграции элементов, от которых в реальной обстановке возможны значительные отклонения. Например, некоторые малоподвижные элементы (Zr, Y и др.) в таежно-болотных и тундровых районах мигрируют более интенсивно вследствие их способности образовывать металлоорганические комплексы; повышается подвижность кремнезема и ряда других элементов во влажных тропических областях и резко возрастает миграционная способность многих элементов в сильнокислых условиях зон окисления сульфидных месторождений. Существенное влияние на подвижность элементов оказывает устойчивость их минералов-носителей В классификации отражена зависимость подвижности элементов от окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий среды.
Рассмотренные показатели, наряду с составом водных и воздушных мигрантов, отличают выделенные им же основные геохимические типы эпигенетических процессов и в том числе выветривания (табл. 24). Как видно из таблицы, разные геохимические типы приурочены к различным ландшафтно-климатическим зонам и породам определенного состава. Характеристика процессов содержится в известных книгах А.И. Перельмана. Наиболее важным с точки зрения формирования площадных кор выветривания является «кислый» тип и «бескарбонатно-глеевый», типоморфными водными мигрантами которых являются H+, НСО3- и органические кислоты. Именно этот тип ведущий в гумидных областях, т. е. в тех, где химическое выветривание протекает наиболее интенсивно и явно доминирует над физическим (рис. 15, 16). Такие области характеризуются (годовым количеством осадков более 500 мм, а также промывным и периодически промывным режимом увлажнения (см. табл. 20). Однако и здесь, как отмечалось, условия среды не остаются постоянными и кислой стадии обычно предшествует щелочная.
В заключение заметим, что скорость химического выверивания зависит от сочетания целого ряда факторов. Важнейшими среди них являются климат, тектоника (через рельеф) и литолого-петрографический состав пород. В гумидных районах интенсивность выветривания повышается с увеличением температуры воздуха и количества атмосферных осадков, в прямой зависимости от чего ,находится количество биомассы. В этом отношении наиболее благоприятны условия влажных тропиков, где эти показатели достигают максимального значения (табл. 25) и процессы выветривания и выщелачивания идут в 20—40 раз быстрее, чем в умеренных и холодных гумидных областях. Еще резче эта разница проявляется для тундр, средняя температура остается здесь ниже нуля и для аридных безводных областей. В этих климатических зонах химическое выветривание, как отмечалось, подавляется процессами физического разрушения горных пород (см. рис. 15). Развитию процессов выветривания благоприятствует также интенсивное просачивание атмосферных и грунтовых вод через более или менее мощную толщу пород, что обеспечивается относительно низким уровнем грунтовых вод и достаточно хорошей проницаемостью пород. Известно также, что чем мельче обломок, тем легче он выветривается. Например, полевые шпаты, не растворимые в воде и соляной кислоте, при тонком измельчении (—0,002 мм) частично растворяются в воде и полностью — в соляной кислоте. Весьма существенное влияние на скорость выветривания оказывает устойчивость к процессам химического выветривания горных пород и слагающих их минеральных зерен.
