Химические выветривание горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина

Факультет Геологии и геофизики нефти и газа

Кафедра геологии

Курсовая работа

По дисциплине «Общая геология»

на тему: «Химическое выветривание горных пород»

Москва 2014

Оглавление

Введение

1. Химическое выветривание

1.1 Окисление

1.2.Гидратация

1.3. Растворение и гидролиз

1.4 Гидролиз

1.5 Карбонатизация

1.6 Восстановление

Вывод

Список литературы

Введение

Экзогенные процессы, проявляющиеся на границе атмосферы и земной коры, приводят главным образом к разрушению горных порол и перемещению продуктов разрушения.

Процессы механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием колебаний температуры, воздействием воды, кислорода, углекислого газа, а также животных и растительных организмов при их жизни и отмирании принято называть выветриванием.

Процессы выветривания происходят главным образом на суше, но частично и на дне водных бассейнов.

Факторами выветривания являются нагревание пород и минералов солнечными лучами (инсоляция), кислород, углекислый газ и водяные пары атмосферы, вода, выпадающая на поверхность Земли и проникающая в ее верхние горизонты, органическое вещество и живые организмы

В понятие выветривания не входят разрушение горных пород под действием ветра, а также разрушительная работа текучих поверхностных и подземных вол, льда, вод озер и морей, относящихся к процессам денудации и рассматриваемых ниже в соответствующих главах.

Сложные процессы выветривания, в зависимости от преобладания тех или других факторов, могут приводить либо к механическому раздроблению горных пород без изменения их химического состава, либо к химическому разложению минеральных компонентов горных пород и превращению их в новые минералы, устойчивые в условиях земной поверхности. Биологическое воздействие на горные породы сводится, в конечном счете, к механическому раздроблению или химическому преобразованию горных пород.

В едином и сложном процессе выветривания принято выделять физическое (механическое) выветривание и химическое выветривание.

Процессы разрушения горных пород и минералов под воздействием жизнедеятельности организмов и органических веществ, образующихся при их отмирании, рассматривают как третью форму -- органическое (биологическое) выветривание. Все типы выветривания проявляются одновременно и взаимосвязаны между собой, но преобладает тот или иной тип, и это определяется главным образом климатическими условиями данной местности.

В аридных, высокогорных и полярных областях с дефицитом жидкой воды преобладает физическое выветривание, в умеренно-влажной, влажной тропической или субтропической зонах - химическое выветривание.

На характер и интенсивность выветривания влияют также геологическое строение и рельеф местности, состав, структура, текстура и трещиноватость материнских пород и продолжительность процессов выветривания, а также животный и растительный мир

Приповерхностная часть земной коры, где происходит выветривание, называется зоной выветривания. Отложения, образованные в результате выветривания и оставшиеся на месте их образования, называются элювием. А. Е. Ферсман зону выветривания называет зоной гипергенеза (от греч. «гипер» - над, сверху), а процессы, протекающие в этой зоне, -- гипергенными.

Виды выветривания горных пород

Следы химического выветривания

«Гора смерти» около парка «Корниш» в Серово в Санкт-Петербурге

"Арка" в штате Юта (США), пример механического выветривания

выветривание химический горная порода

1. Химическое выветривание

Химическое выветривание -- это процессы химического разложения минеральных компонентов породы и образование за их смет новых минералов устойчивых в физико-химических условиях земной поверхности.

Процессы физического и химического выветривания взаимосвязаны и происходят одновременно. Вместе с тем механическое разрушение пород опережает и подготавливает материал для химического выветривания. Химическое разложение минеральных компонентов наиболее интенсивно идет в мелко раздробленных и водопроницаемых породах.

Главные факторы химического выветривания -- вода, кислород, углекислый газ а при органическом выветривании -- продукты жизнедеятельности организмов. Особенно большое значение при химическом выветривании имеет вода, которая в той или другой степени диссоциирована на положительно заряженные ионы водорода Н⁺ и отрицательно заряженные гидроксильные ионы ОН^-. Активность химических процессов увеличивается при повышении количества водородных ионов.

Степень диссоциации возрастает с повышением температуры и особенно увеличивается в присутствии углекислоты. Например, при повышении температуры от 0 до 30^оС степень диссоциации возрастает в два раза, а в воде, насыщенной углекислотой, концентрация ионов водорода Н⁺ увеличивается в 300 раз и более.

Химическое воздействие на горные породы оказывает присутствие в воде ионов HCO₃ ^-, SO₂^-, Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺.

Активность химического выветривания связана с разными причинами, однако определяющую роль играют климатические условия. Наиболее благоприятен для химического выветривания жаркий и влажный климат тропиков и субтропиков с высотой среднегодовой темпсратурой, обильными осадками и чередованием дождливых и засушливых сезонов. В этих условиях химические преобразование минералов достигает конечных стадий; в умеренном климате оно замедляется, а в холодном (при многолетней мерзлоте) химическое выветривание практически не происходит.

Типы реакций при химическом выветривании различны в зависимости от состава горных пород и условий. Главнейшими являются: окисление, гидратация, реже дегидратация, растворение, гидролиз, карбонатизация, восстановление.

1.1 Окисление

Окисление горных пород происходит при наличии свободного кислорода в присутствии воды. Как известно, в атмосфере содержится около 21 % кислорода, а в воздухе, растворенном в воде, количество кислорода увеличивается до 30-35 %.

Окислению подвергаются минералы, содержащие железо, марганец, никель, кобальт, серу и другие элементы с разной валентностью. При окислении закисные соединения переходят в окисные. с этим связано изменение цвета породы с зеленовато- или синевато-серого на желтый, красный, бурый.

Наиболее активно окисление проявляется на сульфидных месторождениях. Примером может служить окисление пирита:

FeS₂ + mO₂ + nH₂O -> FeSO₄ -> Fe₂(SO₄)₃ -> Fe₂O₃.nH₂O

В поверхностных условиях при воздействии на сульфиды кислорода и воды пирит оказывается неустойчивым и вначале переходит в сульфат закиси железа, затем в сульфат окиси железа. Сульфаты закиси и окиси Fe в поверхностных условиях также являются неустойчивыми и при дальнейшем окислении переходят в бурый железняк (лимонит). Окисление сопровождается разрушением кристаллической решетки пирита. Фактически в этом процессе происходит не только окисление, но и гидратация. Устойчивый на поверхности лимонит представляет собой сложный агрегат близких по составу минералов -- гетита (FeO.OH) и гидрогетита (FeO.OH.nH₂O). Название «лимонит» принято использовать как общее обозначение водного окисла железа. Для него характерны желтые и бурые цвета и скрытокристаллическое строение.

На поверхности сульфидных и других железорудных месторождений наблюдается так называемая «железная шляпа», выделяющаяся своим желто-бурым цветом и представляющая собой зону окисления и гидратации железосодержащих минералов. Глубина зоны окисления обычно не превышает 60 м, но в сильно трещиноватых горных породах достигает 300 м.

Окислению в меньшей степени подвергаются железосодержащие силикаты, такие как оливин, амфиболы и пироксены, а также осадочные породы: пески, песчаники, глины, мергели, содержащие включения железистых минералов, что проявляется в появлении на их поверхности желто-бурой окраски.

При недостаточном количестве влаги образуются бедные водой гидраты окиси железа, такие как гидрогематит (Fe₂O₃.H₂O) с характерной красной окраской. Закисные соединения марганца, кобальта и других элементов также переходят в окисные формы, устойчивые в поверхностных условиях.

1.2 Гидратация

Гидратация широко распространена в природе и выражается и поглощении существующими минералами воды и образовании в результате новых минералов. Примерами гидратации являются переход ангидрита в гипс:

CaSO₄ + 2Н₂О <-> CaS0₄.2Н₂О

Fe₂O₃ + nН₂O > Fe₂O₃.nН₂O.

Гидратация сопровождается увеличением объема и возникающими при этом деформациями пород. Это обратимый процесс, и при изменении условий он переходит в дегидратацию (потерю воды). В жарком климате благодаря интенсивному прогреванию солнечными лучами и испарению влаги, вода легко отнимается от гидроокислов железа.

1.3 Растворение и гидролиз

Растворение и гидролиз происходят при совместном воздействии на горные породы воды и углекислоты. Однако это два существенно различных процесса.

Растворением называется способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе без изменения их химического состава. Растворение в природных условиях развито довольно широко. Почти все горные породы растворяются в той или иной степени. Но наиболее интенсивно растворение проявляется в осадочных горных породах - хлоридных, сульфатных и карбонатных.

Наиболее легко растворяются хлориды (соли соляной кислоты), такие как галит NaCl, сильвин KCl и др. Они могут сохраняться в твердом состоянии только в случае, если будут защищены от воздействия воды, например перекрыты водонепроницаемыми породами. Значительно слабее растворяются сульфаты (соли серной кислоты), из которых наиболее распространены гипс CaSO₄.2H₂O и ангидрит CaSO₄.

Карбонаты (известняки и доломиты) ещё менее растворимы, хотя и они хорошо растворяются в воде, содержащей углекислоты.

Силикаты растворяются в незначительной степени.

При растворении происходит выщелачивание горных пород, то есть вынос растворенного материала, а на их месте остаются различные по размерам и форме пустоты -- поверхностные и подземные формы рельефа: борозды, углубления, воронки, горизонтальные и вертикальные каналы и др. Процессы растворения горных пород и образования различных форм рельефа называются карстом и подробно охарактеризованы ниже.

При достаточной концентрации раствора в благоприятных условиях растворенное вещество может выпадать в осадок в твердом кристаллическом состоянии, то есть превращаться снова в минерал.

1.4 Гидролиз

Гидролиз -- сложный процесс химического разложения минералов, сопровождающийся частичным или полным выносом щелочей, щелочных земель и кремнекислоты, с одной стороны, и присоединением элементов воды (Н⁺ и ОН-) -- с другой. При гидролизе кристаллическая решетка минералов перестраивается и может быть полностью разрушена и преобразована в новую. Наиболее широко гидролизу подвергаются силикаты и алюмосиликаты, слагающие большую часть земной коры. В связи с этим гидролиз является одной из наиболее важных реакций химического выветривания. Каркасная критическая решетка силикатов и алюмосиликатов при гидролизе разрушается и превращается в слоевую решетку глинистых минералов или слюд, таких как каолинит - Al₄OH₈[Si₄O₁₀], монтмориллонит - (Al₂,Mg₃)(OH)₂[Si₄O₁₀], нонтронит - (Fe,Al₂)(OH)2[SiO₁₀].nH₂O, бейделлит - Al₂(OH)₂[Si4O₁₀].nH₂O и гидрослюды (гидробиотит, гидромусковит и др.).

При гидролизе железисто-магнезиальных силикатов образуются монтмориллонит, нонтронит и бейделлит, а при гидролизе полевых шпатов, характерных для кислых магматических пород, -- каолинит и гидрослюды.

Преобразование силикатов и алюмосиликатов происходит стадийно. Примером может служить переход ортоклаза в каолинит с промежуточной стадией преобразования и гидрослюду

K[AlSi₃O₈] + mН₂0 + nСO₂ -> промежуточные минералы (гидрослюда) ->ортоклаз-> Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀] + SiO₂.nH20 + К₂СО₃

Так же протекает процесс химического разложения и других алюмосиликатов. Характерным при этом является полное вытеснение катионов К, Na, Са, которые при взаимодействии с углекислотой образуют истинные растворы карбонатов (К₂СO₃, Na₂СО₃, СаСО₃) и бикарбонатов, в условиях влажного климата растворы выносятся с места их образования, а при недостатке влаги они остаются на месте и могут выпадать из раствора.

Кремнезем SiО₂ при распаде первичного минерала частично вытесняется углекислотой, переходит в раствор и выносится с места образования, что подтверждается наличием в речных водах в среднем около 11 % Si0₂. Большая же часть растворенного кремнезема быстро переходит в коллоидное состояние и выпадает на месте в виде аморфного гидроокисла кремния -- опала SiО₂.H₂О. Часть SiО₂ остается еще прочно связанной в каолините.

Таким образом, в результате гидролиза кислых и средних магматических и метаморфических пород (гранитов, гранодиоритов, гнейсов и др.), богатых алюмосиликатами, образуются месторождения каолина.

Каолинит на земной поверхности в условиях умеренного климата является довольно устойчивым минералом. Однако при наличии достаточного количества воды и углекислоты в сочетании с высокой температурой (тропический и субтропический климат) каолинит разлагается с образованием гидратов окиси алюминия, составной части алюминиевой руды, -- боксита, опала и растворимых карбонатов и бикарбонатов.

Наиболее устойчивыми в поверхностных условиях являются бокситы и опал, которые могут скапливаться в значительных количествах. В неизмененном виде сохраняются лишь зерна кварца, весьма устойчивого к химическому выветриванию.

Разложение железисто-магнезиальных силикатов (оливин, авгит, роговая обманка и др.), являющихся главными компонентами основных и ультраосновных магматических и близких по составу метаморфических пород, протекает еще более интенсивно, чем гидролиз алюмосиликатов.

Fe, Mg + mH₂0 + nСO₂ -> промежуточные -> SiO₂nH₂O + Fe₂O₃nH₂O + растворимые соли Ca, Mg, частично Fe

Образование и накопление в значительных количествах гироокислов железа, алюминия и кремния возможны в условиях жаркого и влажного климата. В условиях влажного, но умеренного климата образуется главным образом каолинит.

1.5 Карбонатизация

Карбонатизация - совокупность процессов, приводящих к обогащению горных пород различными карбонатами. Карбонатизация происходит под воздействием воды, содержащей углекислоту, и теснейшим образом связана с процессами растворения и гидролиза.

В приведенных выше примерах гидролиза силикатов и алюмосиликатов карбонатизация появляется в образовании карбонатов и бикарбонатов К, Na, Ca, Mg и др. Большинство карбонатов растворяются в воде. В условиях влажного климата истинные растворы карбонатов выносятся с места их образования и в дальнейшем могут выпадать в осадок, то есть переотлагаться. Много карбонатов выносится в грунтовые волы, обусловливая их жесткость.

При недостатке влаги большая часть образующихся карбонатов остается на месте или выпадает из раствора на небольшой глубине в тонко распыленном виде или в форме стяжений (конкреций).

1.6 Восстановление

Восстановление является процессом, приводящим к потере веществом части или всего содержащегося в нем химически связанного кислорода. Восстановление -- процесс обратный окислению и может происходить только в условиях, где нет свободного кислорода. Такие условия возникают в болотах, где в воду поступает большое количество органических веществ, образующихся при отмирании болотной растительности. Органические вещества легко соединяются с кислородом, то есть являются сильными восстановителями. При этом не только используется весь свободный кислород, растворенный в воде, но и отнимается часть кислорода, химически связанного в минералах, а окись железа переходит в закись (FeO), гидраты которой имеют зеленый цвет. Возникает темная зеленовато-серая глинистая масса, подстилающая обычно торфяники. Кроме того, в восстановительной среде могут образовываться минералы бедные или лишенные кислорода, например, такие как марказит и др.

Огромная роль в процессах выветривания принадлежит органическому миру. Влияние растительных и животных организмов на литосферу заключается в механическом разрушении и химическом разложении горных пород под действием выделяемых кислот, СО₂ и О₂ и жизнедеятельности организмов.

Оболочка Земли, в которой распространены различные организмы, называется биосферой. Она охватывает части тропосферы, Мирового океана и литосферы. Количество организмов в разных зонах различно. Максимума они достигают в верхней части гидросферы и на границе литосферы и атмосферы, уменьшаясь вверх и вниз довольно быстро.

Вопрос о геологической роли организмов впервые был сформулирован В. И. Вернадским, который подчеркивал огромное энергетическое значение живых организмов. Дальнейшее развитие эти идеи получили в работах Б. Б. Полынова, считавшего, что организмы являются важнейшими агентами в процессах выветривания и что многие продукты выветривания имеют органическое происхождение.

Важная роль при органическом выветривании принадлежит микроорганизмам, повсеместно распространенным и обладающим огромной активностью. С микроорганизмами связаны новые стадии разрушения горных пород. Они подготавливают необходимый субстрат, на котором развивается растительность. При этом намечается последовательность: первыми поселяются бактерии и сине-зеленые водоросли, за ними диатомовые водоросли и грибы, затем литофильные растения -- лишайники и мхи. Все они подготавливают почву для появления высших растений и фауны.

Механическое воздействие организмов проявляется в сверлении, росте корней растений, а также образовании подземных ходов и перемешивании разрыхленных выветриванием масс. Корни растений, проникая в трещины горных пород и постепенно расширяя их при своем росте, способны разорвать и раздробить любые породы. Значительную роль в разрушении играют черви, муравьи, термиты, кроты, суслики и другие животные и насекомые. Они создают мелкие, но многочисленные подземные ходы, способствуя проникновению вглубь атмосферного воздуха, что активизирует химическое выветривание пород.

Роль организмов в химическом выветривании определяется тем, что они способны захватывать различные химические элементы из разрушаемой породы и выделять в процессе жизнедеятельности различные химически активные кислоты и кислород. Растения, проникая в трещины и поры горной породы, разрушают их не только механически, но и химически, разъедая кислотами, выделяемыми корневыми системами. Одновременно растение поглощает из горной породы необходимые для своей жизнедеятельности химические элементы, такие как К, Са, Si, Mg, Na, AI, Fe и др. При отмирании растений органическая масса разлагается с образованием органических (гуминовых) кислот и С0₂. Органические кислоты содействуют разложению силикатов и алюмосиликатов и значительно повышают растворение и гидролиз. Являясь легко подвижными коллоидами, органические кислоты своим присутствием увеличивают подвижность алюминия и трехвалентного железа, соединения, которых обычно малоподвижные, при органических кислотах частично переходят в раствор и могут выноситься.

Интенсивность органического выветривания определяется главным образом количеством растительности в различных климатических зонах.

Вывод

Из выше сказанного следует, что химическое выветривание горных пород имеют важную роль в процессах выветривания. Основная деятельность такого выветривания, это разрушение, а так же образование горных пород, изменение их химического состава и внешнего вида.

Список литературы

1. Гаврилов В. П.- Общая и историческая геология и геология СССР: Учеб. для вузов.-- М.: Недра, 1989

2. Соколовский А.К. (ред.) - Общая геология, том 1,2, 2006

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/выветривание

Размещено на Allbest.ru