1. Морфология минераловкак кристаллических и аморфных тел.
Свойства минералов,используемые в макроскопической диагностике.
Минералы- понятие очень широкое. Минералами называют однородные по составу и строениючасти горных пород и руд. Они представляют собой природные химическиесоединения, возникшие в результате различных геологических процессов. Минераловв природе великое множество. Для изучения и поиска их объединяют в однородныегруппы по химическому составу и физическим свойствам.
Большинствоминералов встречается в земной коре в твердом состоянии. Однако есть жидкие(самородная ртуть) и даже газообразные минералы (углекислый газ, сероводород).Поразительно разнообразны внешние признаки, по которым минералы отличаются другот друга. Одни из них прозрачны, другие мутны, полупрозрачны или совершенно непропускают свет.
Кальцит(известковый шпат) — один из наиболее часто встречающихся в земной кореминералов. Иногда целые горы состоят из чистого кальцита.
Важнойособенностью многих минералов является их окраска. Так, киноварь всегдакарминно — красная, а малахит ярко-зеленый, по металлически золотистому цветулегко узнаются кубические кристаллики пирита. Очень важный внешний признакминералов — их форма. Чаще она кристаллическая, но для одних это форма куба(пирит), для других — шестигранной призмы (берилл), для третьих — многогранника(гранат) и т. д. Многие минералы образуют натечные массы причудливой формы,ничего общего не имеющие с кристаллами. Таковы, например, почковидные выделениямалахита и. сталактитоподобные наросты лимонита.
Одниминералы тверды настолько, что легко оставляют царапины на стекле (кварц,полевые шпаты, гранат)… другие сами царапаются обломками стекла или остриемножа (кальцит). Третьи мягки, и на них можно прочертить след ногтем (графит).
Вминералогии применяется наиболее простой способ определения твердости — царапанием одного минерала другим. Для оценки твердости используется такназываемая шкала Мооса, представленная десятью минералами. Их порядковый номери соответствует условной единице твердости. Вот они: 1. Тальк. 2. Гипс. 3.Кальцит. 4. Флюорит. 5. Апатит. 6. Ортоклаз. 7. Кварц. 8. Топаз. 9. Корунд. 10.Алмаз. Каждый последующий в шкале Мооса минерал царапает своим острым концомвсе предыдущие.
Чтобыопределить твердость неизвестного минерала, устанавливают, какой из эталоновминералов он царапает последним. Например, неизвестный минерал царапает апатит,а сам царапается ортоклазом, то его твердость заключена между 5 и 6.
По-разномуведут себя минералы и при раскалывании. Одни из них легко расщепляются поопределенным плоскостям, образуя обломки правильной формы, похожие на кристаллы(галенит, кальцит); другие дают в изломе кривые, раковистые поверхности(кварц). Свойство минералов раскалываться по определенным направлениямназывается спайностью. Различают спайность весьма совершенную, при которойкристалл способен расщепляться на тонкие листочки (слюды); совершенную, когда приударе образуются обломки, внешне напоминающие настоящие кристаллы (кальцит,галенит); среднюю — на обломках минералов наблюдаются геометрически правильныеплоскости и неровные изломы (роговые обманки); несовершенную — изломы, какправило, представлены неровными поверхностями (оливин, апатит); весьманесовершенную, когда спайность практически отсутствует и обломки имеют, раковистый(как у стекол) излом.
Отличаютсяминералы и по цвету черты, т. е. цвету тонкого порошка, который оставляетминерал на матовой (неглазурованной) поверхности фарфоровой пластинки. Иногдацвет черты совпадает с цветом самого минерала, как, например, у киновари. Но вряде случаев цвет минерала и цвет его черты резко различны. Так, минералгематит серо-стального цвета, а черта его красная, пирит латунно-желтый, аоставляет черную черту.
Удельныйвес, магнитность, радиоактивность и ряд других свойств также являются важнымипризнаками по которым геологи определяют, или диагностируют, минералы.
Свойстваминералов зависят от их химического состава, кристаллической структуры, т.е.той пространственной фигуры, которую образуют слагающие минерал атомы и ионы, иот характера и сил сцепления между ними.
Похимическому составу и структуре все минералы подразделяются на большие группы,или разделы.
Здесьмы упомянем лишь некоторые минералы, наиболее часто встречающиеся в земной кореи входящие в состав широко распространенных горных пород.
Кальцит(или известковый шпат) принадлежит к числу наиболее распространенных минералов.В природе встречаются целые горы. сложенные известняками или мраморами, которыесостоят из одного почти чистого кальцита.
Похимическому составу кальцит представляет собойуглекальциевую соль — СаСОз. Бесцветныепрозрачные разновидности его называются исландским шпатом. Очень красивы так называемыедрузы кальцита, представляющие собой скопление хорошо образованных кристаллов,возникших в пустотах горных пород.
Большейчастью кальцит бесцветен или обладает молочно-белым цветом. Но встречается иокрашенный в различные оттенки серого, желтого, красного, бурого и черногоцвета. Твердость кальцита3 (легко царапается острием ножа или иглы), спайностьсовершенная (легко раскалывается на обломки правильной формы). Важныйдиагностический признак кальцита — его реакция на соляную кислоту: от одной еекапли, попавшей на минерал, начинается бурное вскипание — выделение углекислогогаза..
Огромныемассы кальцита образуются в морских бассейнах в виде известковых илов, отмершихморских растений и беспозвоночных животных с известковым скелетом. Позднее этивещества превращаются в горную породу — известняк или мрамор.
Кварц,так же как и кальцит, относится к числу наиболее широко распространенныхминералов. Состав его прост — это окись кремния Si02. Встречаются кристаллыкварца очень крупных размеров, весом до 40 т. Формы кристаллов весьмаразнообразны, но для них характерны грани призмы, на которых заметнагоризонтальная штриховка.
Чащевсего цвет кварца молочно-белый или серый. Бесцветные водяно-прозрачныекристаллы кварца называются горным хрусталем, фиолетовые разновидности — аметистом, дымчатые — раухтопазом, а черные — морионом.
Твердостькварца 7, спайность весьма несовершенная (при раскалывании обломки отличаются раковистымизломом).
Кварцчаще всего входит в состав кислых магматических горных пород — гранитов,липаритов, гранитных пегматитов и т. д.
Полевыешпаты представляют собой алюмосиликаты натрия, калия и кальция. Из всехизвестных в природе силикатов (солей кремниевой кислоты) на долю полевых шпатовприходится около 50% по весу. По химическому составу различаютсяизвестково-натриевые и кали — натриевые полевые шпаты.
Болеераспространены известково-натриевые полевые шпаты, или плагиоклазы, состоящиеиз двух существенно различных молекул – NаАISi3О8 и CaAI2Si208.Количественное соотношение между этими молекулами в минерале может бытьразлично. Чисто натриевый полевой шпат (NаАISi3О8) называется альбитом, чисто кальциевый (CaAI2Si208)анортитом.Плагиоклазы представляют собой все разновидности непрерывно меняющегосясостава, отальбита до анортита (их различают по номерам, соответствующимпроценту содержания анортита).
Хорошообразованные кристаллы плагиоклазов довольно редки, облик их таблитчатый илитаблитчато-призматический. Цвет плагиоклазов белый или серовато-белый, иногда сзеленоватым, синеватым, реже красноватым оттенком. Блеск стеклянный, твердость6-6,5. Спайность совершенная по двум направлениям.
Плагиоклазыглавным образом входят в состав магматических горных пород.
Кали — натриевые полевые шпаты встречаются в земной коре реже, чем плагиоклазы. Составих выражается формулой KАISi3О8 (чисто калиевый полевой шпат). Обычно ккалиевой составляющей минерала примешано некоторое количество альбитовоймолекулы (NаАISi3О8). По структуре средикали натриевых полевых шпатов различают ортоклаз имикроклин. Облик кристалловкали — натриевых полевых шпатов чаще всего призматический, цвет — светло-розовый,буровато-желтый, красновато-белый, иногда мясо-красный. Блеск стеклянный.Твердость 6-6,5. Спайность совершенная по двум направлениям.
Кали — натриевые полевые шпаты входят в состав магматических горных пород кислогосостава.
Слюды.В эту группу объединены минералы достаточно сложного и изменчивого состава.Здесь мы остановимся лишь на магнезиально-железистой темной слюде — биотите иалюминиевой светлой мусковите. В состав слюд входят легколетучие соединения.
Химическаяформула биотита достаточно сложна К(Мg1Fе)3 [Si3АlO10][OН1F2]; он состоит из калия, магния,железа, алюминия, кремния и кислорода. В качестве легколетучих веществ вбиотите присутствуют вода (точнее, группа гидроксила — ОН) и фтор. Цвет биотитачерный, бурый, иногда с оранжевым, красноватым или зеленоватым оттенком. Блескстеклянный, на плоскостях спайности с перламутровым отливом. Твердость 2-3,спайность весьма совершенная (кристалл биотита легко расщепить на отдельныетончайшие листочки), облик кристаллов таблитчатый, нередко столбчатый илипирамидальный. Большей частью встречается в сплошных пластинчато — иличешуйчато-зернистых массах. Биотит встречается во многих магматических иметаморфических горных породах.
Светлаяслюда — мусковит — получила свое название по старинному итальянскомунаименованию города Москвы – Муска. В древние времена из Москвы в ЗападнуюЕвропу вывозились большие листы мусковита под названием московское стекло.,которое вставляли в оконные рамы домов.
Мусковит- КАI2[АISi3О10][0Н]2 — состоит изкалия, алюминия, кремния и кислорода. Из легколетучих соединений присутствуетвода (группа гидроксила ). Облик кристаллов обычно таблитчатый илипластинчатый. Боковые грани сильно исштрихованы в горизонтальных направлениях.Как и биотит, мусковит чаще всего встречается в сплошных листовато-зернистыхили чешуйчатых массах.
Втонких спайных листочках мусковит бесцветен. Блеск стеклянный, на плоскостяхспайности перламутровый и серебристый. Твердость 2-3. Листочки мусковита, как увсех слюд, гибки и при сгибании упруги. Спайность совершенная (легкорасщепляется на тонкие прозрачные листочки).
Мусковитвстречается в земной коре чаще других слюд. Он входит в состав многихмагматических и метаморфических горных пород.
Избольшой группы минералов, объединенных под общим названием амфиболы, упомянемлишь наиболее часто встречающуюся роговую обманку. Состоит она из кальция,натрия, магния, железа, алюминия, кремния и кислорода. Обязательной составнойчастью роговой обманки является вода. Химический состав ее не постоянен, иколичественные соотношения между магнием и железом, железом, алюминием и калиемменяются в широких пределах. Облик кристаллов призматический или столбчатый.Обыкновенные роговые обманки окрашены в зеленый или бурый цвет разных оттенков.Блеск стеклянный, твердость 5,5-6. Спайность совершенная только по одномунаправлению и несовершенная по другим.
Роговаяобманка — минерал, типичный для ряда магматических и многих метаморфическихгорных пород.
Большаягруппа минералов, представляющих собой магнезиально-железистые,известково-магнезиальные и известково-железистые силикаты, объединена под общимназванием пироксены. По кристаллографическим признакам различают ромбические имоноклинные пироксены.
Кромбическим пироксенам относится энстатит — Mg2[Si206].
Разновидностиего, в которых присутствуют заметные количества окислов железа, называютсябронзитом.
Чащевсего встречается в виде зерен неправильной удлиненной формы. Энстатит бесцветенили серовато-белый с зеленоватым оттенком, реже буровато-зеленый. Блеск егостеклянный, на плоскостях спайности с перламутровым отливом. Твердость 5,5,спайность средняя.
Энстатит- типичный минерал изверженных горных пород, образовавшихся из магматическихрасплавов, обогащенных магнием (магмы основного состава). Совместно с оливином,о котором мы скажем дальше, энстатит входит в состав таких магматических горныхпород, как габбро и базальты.
Примероммоноклинных пироксенов служит авгит – известково-магнезиально-железистыйалюмосиликат.
Химическийсостав его гораздо сложнее, чем у других пироксенов. Облик кристаллов егокороткостолбчатый. Для разрезов характерны очертания восьмиугольника с болееили менее развитыми сторонами. Чаще всего встречается в виде зернистых агрегатов.Цвет черный, зеленовато- и буровато-черный, реже темно-зеленый или бурый. Блескстеклянный. Твердость 5-6. Спайность средняя.
Авгитчаще всего встречается в магматических горных породах основного и среднегосостава — базальтах, габбро, андезитах, диоритах.
Наконец,весьма распространен оливин — магнезиально-железистый силикат (Mg,Fe)2Si04.Иногда его называют еще хризолитом.
Обычнооливин встречается в виде зернистых агрегатов. Цвет его желтый с зеленоватым оттенком,но часты бесцветные разновидности. Блеск стеклянный, жирный. Твердость 6,5-7.Спайность несовершенная (при раскалывании дает неровный излом). Оливин — минерал магматического происхождения. Он характерен для изверженных горных пород,образовавшихся из бедного кремнием и богатого магнием и железом магматическогорасплава основного состава, — дунитов, габбро и базальтов.
2. Выветриваниегорных пород. Источник энергии, факторы, виды
выветривания,геологический результат.
Подвыветриванием понимается совокупность физических, химических и биохимическихпроцессов преобразования горных пород и слагающих их минералов вприповерхностной части земной коры. Это преобразование зависит от многихфакторов: колебаний температуры; химического воздействия воды и газов — углекислоты и кислорода (находящихся в атмосфере и в растворенном состоянии вводе); воздействия органических веществ, образующихся при жизни растений иживотных и при их отмирании и разложении. Сказанное свидетельствует о том, чтопроцессы выветривания тесно связаны с взаимодействием приповерхностной частиземной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Именно граничная областьразных фаз обладает высокой реактивной способностью. Часть земной коры, вкоторой происходит преобразование минерального вещества, называется зонойвыветривания или зоной гипергенеза (от греч. «гипер» — над, сверху). Процессгипергенеза, или выветривания, очень сложен и зависит от климата, рельефа, тогоили иного органического мира и времени. Разнообразные сочетания перечисленныхфакторов обусловливают сложность и многообразие хода выветривания. Особенновелика роль климата, являющегося одной из главных причин и движущих силпроцессов выветривания. Из всей совокупности климатических элементов наибольшеезначение имеют тепло (приходно-расходный баланс лучистой энергии и др.) истепень увлажнения (водный режим). В зависимости от преобладания тех или иныхфакторов в едином и сложном процессе выветривания условно выделяются двавзаимосвязанных типа: 1) физическое выветривание и 2) химическое выветривание.
ФИЗИЧЕСКОЕВЫВЕТРИВАНИЕ
Вэтом типе наибольшее значение имеет температурное выветривание, которое связанос суточными и сезонными колебаниями температуры, что вызывает то нагревание, тоохлаждение поверхностной части горных пород. Вследствие резкого различиятеплопроводности, коэффициентов теплового расширения и сжатия и анизотропиитепловых свойств минералов, слагающих горные породы, возникают определенныенапряжения. Особенно ярко это выражено в много минеральных магматических иметаморфических породах (гранитах, сиенитах, габ6ро, гнейсах, кристаллическихсланцах и др.), образовавшихся в глубинах Земли в специфическойтермодинамической обстановке, в условиях высоких температур и давлений. Привыходе на поверхность такие породы оказываются малоустойчивыми, так каккоэффициент расширения разных породообразующих минералов неодинаков. В качествепримера можно привести такие важные породообразующие минералы гранита, какортоклаз, альбит и кварц. Коэффициент объемного расширения ортоклаза, например,в три раза меньше, чем у альбита, и в два раза меньше, чем у кварца. Крометого, коэффициент расширения даже у одного и того же породообразующего минераланеодинаков по разным кристаллооптическим осям, как, например, у кристалловкварца и кальцита, что приводит при колебаниях температуры к возникновениюместных напряжений и разрушению одно минеральных горных пород, таких, какмраморы, известняки, кварцевые песчаники и др.
Большиеразличия коэффициента «расширение — сжатие» породообразующих минералов придлительном воздействии колебаний температуры приводят к тому, что взаимноесцепление отдельных минеральных зерен нарушается, образуются трещины и в концеконцов происходит дезинтеграция горных пород, их распад на отдельные обломкиразличной размерности (глыбы, щебень, песок и др.). Дезинтеграции горных пород,возможно, способствуют также конденсация и адсорбция (от лат. «ад» — при,«сорбере» — глотать) водяных паров и пленок на стенках возникающих трещин.
Процесстемпературного выветривания, вызывающего механическую дезинтеграцию горныхпород, особенно характерен для экстра аридных и нивальных ландшафтов сконтинентальным климатом и непромывным типом режима увлажнения. Особеннонаглядно это проявляется в областях пустынь, где количество выпадающихатмосферных осадков находится в пределах 100-250 мм/ год (при колоссальнойиспаряемости) и наблюдается резкая амплитуда суточных температур нанезащищенной растительностью поверхности горных пород. В этих условияхминералы, особенно темноцветные, нагреваются до температур, превышающихтемпературу воздуха, что и вызывает дезинтеграцию горных пород и наконсолидированном ненарушенном субстрате формируются обломочные продуктывыветривания. В пустынях наблюдается шелушение, или деСlC8амация (лат.«десквамаре» — снимать чешую), когда от гладкой поверхности горных пород призначительных колебаниях температур отслаиваются чешуи или толстые пластины,параллельные поверхности. Этот процесс особенно хорошо можно проследить наотдельных глыбах, валунах.
Вжарких пустынных областях механическое воздействие на горные породы и ихдезинтеграция осуществляются также ростом кристаллов солей, образующихся извод, которые попадают в капиллярные трещины в виде растворов. При сильномнагревании вода испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются, врезультате увеличивается давление, капиллярные трещины расширяются, чтоспособствует нарушению монолитности горной породы. Нередко возникаюткарбонатные пленки. Температурное выветривание весьма активно протекает такжена вершинах и склонах гор, не покрытых снегом и льдом, где воздух прозрачный иинсоляция больше, чем в прилежащих низменностях. Более или менее выположенныеповерхности гор нередко бывают покрыты глыбово-щебнистыми продуктамивыветривания. В то же время на горных склонах наряду с выветриваниемразвиваются различные гравитационные процессы: обвалы, камнепад, осыпи,оползни. Все данные об указанных гравитационных процессах детально рассмотреныв учебнике по геоморфологии. Здесь же отметим, что накопившиеся в основаниисклонов и их подножий продукты гравитационных процессов (осыпей, обвалов) представляютсвоеобразный генетический тип континентальных отложений, называемых коллювием(от лат. «коллювио» — скопление).
Интенсивноефизическое (механическое) выветривание происходит в районах с суровымиклиматическими условиями (в полярных и субполярных странах) с наличиеммноголетней мерзлоты, обусловливаемой ее избыточным поверхностным увлажнением.В этих условиях выветривание связано главным образом с расклинивающим действиемзамерзающей воды в трещинах и с другими физико-механическими процессами,связанными с льдообразованием. Температурные колебания поверхностных горизонтовгорных пород, особенно сильное переохлаждение зимой, приводят кобъемно-градиентному напряжению и образованию морозобойных трещин, которые в дальнейшемразрабатываются замерзающей в них водой. Хорошо известно, что вода призамерзании увеличивается в объеме более чем на 9% (П.А. Шумский, 1954). Врезультате развивается давление на стенки крупных трещин, вызывающее большое расклинивающеенапряжение, раздробление горных пород и образование преимущественно глыбовогоматериала. Такое выветривание иногда называют морозным. Расклинивающеевоздействие на горные породы оказывает также корневая система растущихдеревьев.
Механическуюработу производят и разнообразные роющие животные. В заключение следуетсказать, что чисто физическое выветривание приводит к раздроблению горныхпород, к механическому разрушению без изменения их минералогического ихимического состава.
ХИМИЧЕСКОЕВЫВЕТРИВАНИЕ
Одновременнос физическим выветриванием в областях с промывным типом режима увлажненияпроисходят и процессы химического изменения с образованием новых минералов. Примеханической дезинтеграции плотных горных пород образуются макротрещины, чтоспособствует проникновению в них воды и газа и, кроме того, увеличиваетреакционную поверхность выветривающихся пород. это создает условия дляактивизации химических и биогеохимических реакций. Проникновение воды илистепень увлажненности не только определяют преобразование горных пород, но иобусловливают миграцию наиболее подвижных химических компонентов. Это находитособенно яркое отражение во влажных тропических зонах, где сочетаются высокаяувлажненность, высоко термические условия и богатая лесная растительность.Последняя обладает огромной биомассой и значительным спадом. Эта массаотмирающего органического вещества преобразуется, перерабатываетсямикроорганизмами, в результате в большом количестве возникают агрессивныеорганические кислоты (растворы). Высокая концентрация ионов водорода в кислыхрастворах способствует наиболее интенсивному химическому преобразованию горныхпород, извлечению из кристаллических решеток минералов катионов вовлечению их вмиграцию. Особая роль биосферы в геологических процессах была отмечена вработах крупнейшего русского ученого В. И. Bepнaдcкoго. Он ввел понятие о«живом веществе» как перманентном геологическом деятеле, как. аккумуляторе иперераспределителе солнечной энергии. Он писал: «3ахватывая энергию Солнца,живое вещество создает химические соединения, при распадении которых этаэнергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу»; «живоевещество есть форма активизированной материи и эта энергия тем больше, чембольше масса живого вещества… К процессам химического выветривания относятсяокисление, гидратация, растворение и гидролиз.
Окислениеособенно интенсивно протекает в минералах, содержащих железо. В качествепримера можно привести окисление магнетита, который переходит в болееустойчивую форму — гематит
(FeFe2О4~ Fе2Оз). Такие преобразования констатированы в древней коревыветривания КМА, где разрабатываются богатые гематитовые руды. Интенсивномуокислению (часто совместно с гидратацией) подвергаются сульфиды железа. Так,например, можно представить выветривание пирита
FeS2+ т02 + nН20 ~FeSO4 ~ Fe2(SO4) 3 ~ Fе2О3 пН20
Лимонит(бурый железняк)
Нанекоторых месторождениях сульфидных и других железных руд наблюдаются«6урожелезняковые шляпы», состоящие из окисленных и гидратированных продуктоввыветривания. Воздух и вода в ионизированной форме разрушают железистыесиликаты и превращают двухвалентное железо в трехвалентное.
Гидратация.Под воздействием воды происходит гидратация минералов, т.е. закрепление молекулводы на поверхности отдельных участков кристаллической структуры минерала.Примером гидратации является переход ангидрита в гипс: ангидрит — CaS04+ 2H20~ ~CaS04 2H20 — гипс. Гидратированнойразновидностью является также гидрогётит: гётит — FeOOH + пН2О ~FeOH nH20 — гидрогётит. Процесс гидратации наблюдается и в болеесложных минералах силикатах.
Растворение.Многие соединения характеризуются определенной степенью растворимости. Ихрастворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности горныхпород и просачивающейся через трещины и поры в глубину. Ускорению процессоврастворения способствуют высокая концентрация водородных ионов и содержание вводе 02, CО2 и органических кислот. Из химическихсоединений наилучшей растворимостью обладают хлориды — галит (поваренная соль),сильвин и др. На втором месте — сульфаты — ангидрит и гипс.
Натретьем месте карбонаты – известняки и доломиты. В процессе растворенияуказанных пород в ряде мест происходит образование paзличных карстовых форм наповерхности и в глубине (см. гл. 7).
Гидролиз.При выветривании силикатов и алюмосиликатов жное значение имеет гидролиз, прикотором структура кристаллических минералов разрушается благодаря действию водыи растворённых в ней ионов и заменяется новой существенно отличной отпервоначальной и присущей вновь образованным гипергенным минералам. В этомпроцессе происходят:
1)каркасная структура полевых шпатов /превращается в слоевую, свойственную вновьобразованным глинистым гипергенным минералам;
2)вынос из кристаллической решетки: полевых шпатов растворимых соединений сильныхоснований (К, Na, Са), которые, взаимодействуя с СО2, образуютистинные растворы бикарбонатов и карбонатов (К2СО3, Nа2СО3,СаСО3).
Вусловиях промывного режима карбонаты и бикарбонаты выносятся за пределы местаих образования. В условиях же сухого климата они остаются на месте, образуютместами: пленки различной толщины, или выпадают на небольшой глубине отповерхности (происходит карбонатизация);
З)частичный вынос кремнезема;
4)присоединение гидроксильных ионов.
Процессгидролиза протекает стадийно с последовательным возникновением несколькихминералов. Так, при гипергенном преобразовании полевых шпатов возникаютгидрослюды, которые затем превращаются в минералы группы каолинита илигалуазита:
К[AlSi3О5)… (К, Н3О)Al2(ОН)2[AlSi3Оl0)Н2О… Al4(ОН)5[Si4Оl0]
орmoклазгидрослюдакаолинит
Вумеренных климатических зонах каолинит достаточно устойчив и в результатенакопления его в процессах выветривания образуются месторождения каолина.
Но вусловиях влажного тропического климата может происходить дальнейшее разложениекаолинита до свободных окислов и гидроокислов:
Al4(OH)8 [Si4010) Al(ОН)3 + Si02.n H2O
Такимобразом, формируются окислы. И гидроокислы алюминия, являющиеся составнойчастью алюминиевой руды — бокситов.
Привыветривании основных пород и особенно вулканических туфов среди образующихсяглинистых гипергенных минералов наряду с гидрослюдами широко развитымонтмориллониты(Al2Мg3) [Si4О10](ОН)2nН2О и входящий в эту группу высокоглиноземистый минерал6ейде.ллит Al2(ОН)2[AlSi3Оl0) nН2О.При выветривании ультраосновных пород (ультрабазитов) образуются нонтрониты,или железистые монтмориллониты (FeAl2> [Si4О10)(ОН)2 nН2О.
Вусловиях значительного атмосферного увлажнения происходит разрушениенонтронита, при этом образуются окислы и гидроокислы железа (явлениеобохривания нонтронитов) и алюминия.
КОРАВЫВЕТРИВАНИЯ
Врезультате единого и сложного взаимосвязанного физического, химического ихемобиогенного процессов разрушения горных пород образуются различные продуктывыветривания. Остаточные или несмещенные продукты выветривания, остающиеся наместе разрушения материнских (коренных) горных пород, представляют собой одиниз важных генетических типов континентальных образований и называют элювием.Кора выветривания объединяет всю совокупность различных элювиальныхобразований. Такая остаточная кора выветривания называется автоморфной (греч.«аутос» — сам). Помимо первичной автоморфной коры выветривания рядисследователей (П.И. Гинзбург, В.А. Ковда, В.В. Добровольский и др.) выделяютвторичную, или гидроморфную, кору выветривания, образующуюся в результатевыноса почвенными и грунтовыми водами химических элементов в виде истинных иколлоидных растворов в ходе формирования первичной автоморфной коры. Этиэлементы, выносимые растворами, выпадают в виде минералов в пониженныхэлементах рельефа. Такую взаимосвязь автоморфной и гидроморфной корвыветривания называют геохимической сопряженностью, что имеет важное значение.Так, например, с автоморфными латеритными корами выветривания с гидроокислами алюминиясочетаются местами расположенные по соседству и орографически ниже залежибокситов осадочного происхождения. Главное внимание в этой главе уделяетсяформированию первичной автоморфной коры выветривания.
Вистории геологического развития земной коры неоднократно возникалиблагоприятные условия для образования мощных автоморфных кор выветривания, кчислу которых относятся: сочетания высоких температур и влажности, относительновыровненный рельеф, обилие растительности и продолжительность периода выветривания.При достаточно длительном времени выветривания и соответствующих условияхобразуются хорошо выраженные зоны коры выветривания, имеющие свои текстурно — структурные особенности и сложенные минералами, отражающими последовательныестадии развития. Значительная мощность и наиболее полный профиль корывыветривания Формировался в тропической лесной области, где выделяютсяследующие зоны: дезинтегрированная гидрослюдисто-монтмориллонитов-6ейделлитоваякаолинитовая – гиббсит – гематит — гётитовая. Благодаря присутствию окислов игидроокислов А1 и Fe элювий верхней части коры выветривания в сухом состояниинапоминает обожженный кирпич, часто образующий панцири и окрашенный в красныйцвет. Поэтому такие коры выветривания называются латеритнымu (лат. латер — кирпич).Приведенные данные показывают, что состав полного профиля автоморфной корывыветривания изменяется снизу вверх от свежей исходной породы до продуктовнаиболее глубокого гипергенного преобразования.
Б.Б.Полыновым и П.И. Гинзбурroм была намечена схема последовательности, илистадийности, процесса выветривания магматических пород. Были выделены четырестадии: 1) обломочная, в которой гипергенное преобразование сводится кдроблению, механическому разрушению породы до обломочного материала (обломочныйэлювий);
2)сиаллитная., когда происходит извлечение щелочных и щелочно-земельныхэлементов, главным образом Са и Na, которые образуют пленки и конкрециикальцита. Поэтому эта стадия называется обызвесткованной; 3) кислая сиаллитная,в которой происходят глубокие изменения кристаллохимической структуры силикатовс образованием глинистых минералов (монтмориллонита, нонтронита, каолинита); 4)аллитная, когда кора выветривания обогащается окислами железа, а при наличииопределенного состава исходных пород — окислами алюминия.
Изложенноепредставление понимается исследователями как идеализированная схема,иллюстрирующая общую направленность процесса выветривания. Конкретныеклиматические условия и состав горных пород, существовавшие в отдельные этапыгеологической истории, могли задерживать или, наоборот, ускорять этот процесс,в результате чего формировались сокращенные и неполные профили вплоть дообразования однозонального профиля коры выветривания, как, например, в пустыняхи полупустынях элювий состоит преимущественно из различных обломков, щебня,дресвы, образующихся при физическом выветривании, местами с карбонатнымипленками. Аналогичный обломочный профиль характерен для тундры. В отличие отуказанных наблюдаются сокращенные и неполные профили в условия особо высокихтемператур и интенсивного водообмена, где в ряде случаев выпадают промежуточныезоны, местами вплоть до образования однозонального профиля, состоящего изсвободных окислов и гидроокислов железа и алюминия, располагающихся нанеизмененных породах.
Крометого, и в полном профиле коры выветривания вертикальная зональность может бытьобъяснена не только стадийностью процесса, но возможностью различия степенихимического разложения первичных минералов в верхних и более глубоких зонахпрофиля. Ведь именно в верхней (приповерхностной) зоне расходуется значительнаячасть химически и биохимически активных веществ и происходят наиболееинтенсивные химические реакции и преобразования первичных минералов в глинистыеи даже в свободные окислы и гидроокислы железа и алюминия. Глубже поступают ужеобедненные, менее активные растворы, вследствие чего процессы преобразованияминералов там замедляются и образуются промежуточные минералы гидрослюды,монтмориллонит и др. Следует также учитывать избирательный характервыветривания. Не все породы и не все части одной породы выветриваютсяравномерно. В трещиноватых участках пород выветривание происходит значительнолегче, вдоль трещин образуются карманы продуктов выветривания. Кроме того, одникомпоненты породы растворяются (или гидролизируются) легче, другие трудней. Вслоистых, различных по составу породах также в ряде случаев наблюдаетсяизбирательное выветривание. Одни слои более подвержены выветриванию, другиеменее, в результате местами возникают останцы более устойчивых слоев (в видестолбов, башен) на фоне продуктов выветривания разрушенных слоев.
Средикор выветривания выделено два основных морфогенетических типа: площадной илинейный. Площадные коры выветривания развиваются в виде покрова или плаща,занимают местами обширные площади до десятков и сотен квадратных километров,представляющие различные выровненные тектонически спокойные поверхностирельефа. Линейные коры выветривания имеют линейное распространение в плане иприурочены к зонам повышенной трещиноватости, к разломам и контактам различныхпо составу и генезису горных пород. В этих условиях происходит более свободноепроникновение воды и связанных с ней химически активных компонентов, чтовызывает интенсивный процесс химического выветривания. Кроме того, существуетпредставление, развиваемое В. Н. Разумовой, что в формировании линейных корвыветривания участвуют глубинные гидротермально — вадозные растворы, с которымисвязаны миграция химических элементов и, возможно, метасоматическое замещениеодних минералов другими. Такой процесс может быть приурочен к разломам и зонамповышенной трещиноватости, где наблюдается и наибольшая мощность коры в видеглубоко уходящих карманов. Менее обоснованно влияние гидротермальных растворовна формирование широко распространенных площадных кор выветривания наповерхностях выравнивания.
/>
Строениеполных профилей выветривания на серпентинитах Урала
Древниекоры выветривания формировались в различные этапы геологической истории,совпадающие с крупными перерывами в осадконакоплении, они изучены и изучаются вотложениях разного возраста, начиная с докембрия. Самые древние протерозойскиекоры выветривания отмечены в Карелии и на Украинском кристаллическом щите Русскойплатформы. Под Москвой глубокими скважинами встречена допалеозойская коравыветривания, представленная преимущественно дресвянистой, гидрослюдистой,иногда каолинитизированной зоной суммарной мощностью около 30 м. Богатыежелезные руды Курской магнитной аномалии представляют собой древнюю корувыветривания (дораннекаменноугольную) развивавшyюcя на метаморфическихпротерозойских магнетит содержащих кварцитах. Как видно из рисунка, надислоцированных неизмененных магнетитсодержащих кварцитах располагаются мартитизированныeкварциты, выше которых — богатые железные гематитовые руды по железистымкварцитам. На том же рисунке хорошо выражен латеритный профиль выветривания накварцхлорит — серицитовых сланцах.
Особенношироко развиты древние коры выветривания мезозойского имезозойско-кайнозойского времени в Казахстане, на Алтае, в ряде районов Сибири,на Урале и в других местах. Классическим развитием этих кор является Южный иСредний Урал, где они характеризуются большой мощностью и хорошо изучены многимиисследователями (И.И. Гинзбургом, В.П. Петровым, Н.П. Херасковым, В. Н.Разумовой и др.). Полный профиль выветривания на серпентинитах Урала отмечаетсяопределенной зональностью. В нем неизмененные серпентиниты сменяютсявыщелоченными, далее монтмориллонитизированными и нонтронитизированными и,наконец, охрами по серпентинитам. В пределах развития габбро и долеритов такженамечается полный профиль коры выветривания — от дезинтегрированных пород черезпромежуточные минералы к латеритным бокситам и охрам. По данным В.П. Петрова,строение площадной древней коры выветривания на гранитах Урала отличаетсядостаточно четко выраженной зональностью: дресвянистая зона ‘”гидрослюдистая'” каолинитовая, суммарной мощностью около 100м. Здесь жевыражена линейная кора выветривания, соответствующая контакту гранита сосланцами. и характеризующаяся мощностью около 200 м и отсутствием дресвянистойзоны.
Поданным С.Л. Шварцева, зона окисленных руд в Гвинее образуется на хорошодренируемых возвышенных участках и не всегда сопровождается образованиемглинистых минералов. Латеризацию пород он объясняет не только конечнымистадиями выветривания (когда образуются окислы и гидроокислы), но и при вносом вверхние горизонты коры Ре и Аl путем выщелачивания и миграции их из покрывающихпочв.
Своеобразныйтип линейной коры выветривания описан В.П. Егоровым и В.М. Новиковым в пределахНово-Бурановского рудного месторождения Кемпирсайского массива Урала. Здесь вконтактной зоне основных пород — габбро и ультраосновных — серпентинитов выраженполный профиль коры выветривания с латеритным бокситом. В профиле выветриваниягабброидов выделяются четыре минерало — геохимические зоны (снизу вверх):
/>
Схемастроения древней коры выветривания на гранитах Урала
1)механической дезинтеграции;
2)выщелачивания (гидрохлори — монтмориллонитовая);
З)каолинитоохристая;
4)гиббси-каолинито-охристая с латеритным бокситом. Залежи бокситов имеютгнездообразную форму. В центральной части габброидного тела завершает корувыветривания каолинито — охристаязона. Здесь же в профиле коры выветриваниясерпентинитов выделяются следующие зоны:
1)дезинтегрированных серпентинитов;
2)керолитовых;
З)никельсодержащих нонтронитов;
4)охр.
Местамиже непосредственно на серпентинитах располагаются никель содержащие нонтрониты,переходящие в охры.
/>
Вработах Н.А. Лисицыной приведены интересные данные о современно-четвертичныхкорах выветривания южного полушария. Особенностью всех описанных ею типов корявляется отсутствие дезинтегрированной зоны и непосредственный переходбазальтов в различные глинистые образования и даже в охристую латеритную зону.Так, например, в Индонезийском типе на базальтах располагаются сильновыветренные гиббсит — каолинитовые образования мощностью до 20 м, выше которыхгиббсит – гематит — гётитовые образования конкреционной структуры мощностью0,3-5,5 м. Наиболее интенсивное разложение базальтов отмечено в Гвинейскомтипе, где кора состоит из маломощноro (0,5 м) гиббсит — каолинитовогогоризонта, а выше из гиббсит – гематит — гётитовых образований мощностью около12 м. Близкие данные получены С.П. Прокофьевым по Западной Гвинее в пределахФута-Мандингскоro свода. При этом указывается на возможность проявления вовремени двух циклов гипергенеза: 1) позднемеловой — миоценовый и 2)плиоцен-четвертичный.
Рассмотренныепримеры показывают, что общий процесс формирования кор выветривания весьмасложен, зависит от сочетания многих факторов и представляет собой нескольковзаимосвязанных явлений: 1) разрушение и химическое разложение горных пород собразованием продуктов выветривания; 2) частичный вынос и перераспределениепродуктов выветривания; 3) синтез новых минералов в результате взаимодействияпродуктов выветривания в ходе их миграции; 4) метасоматuческое (греч. «мета» — после, «сома»тело) замещение минералов материнских пород.
Внаправленности общего процесса выветривания большая роль принадлежитмиграционной способности химических элементов.
а.Определить истинную мощность пласта Ми, если вертикальная мощностьпласта Мв = 18 м; угол падения пласта — 67º.
/>
Ми= Мв∙cos 67º = 18∙0,3907 = 7,03 (м)
б.Изобразить положение пласта в горизонтальной плоскости в масштабе 1:500, еслиазимут падения ЮЗ 205º; угол падения 16º; Ми = 4 м.
в.Изобразить в горизонтальной плоскости брахисинклинальную складку
/>
г.Изобразить в вертикальной плоскости согласный сброс и несогласный взброс.
Сбросаминазываются нарушения, в которых поверхность разрыва наклонена в сторону расположенияопущенных пород.
Классификациясбросов. Сбросы различаются по ряду признаков: углу наклона сместителя,ориентировке по отношению к простиранию нарушенных пород, соотношению наклонасмесителя и нарушенных пород, направлению перемещения крыльев, взаимномурасположению сбросов в плане и в разрезе. По углу наклона сместителявыделяются: пологие сбросы с углом наклона сместителя до 30°, крутые с угломнаклона сместителя от 30 до 80° и вертикальные с углом наклона сместителя более80°.
Поотношению к простиранию нарушенных пород различаются: продольные сбросы, укоторых общее простирание сместителя совпадает с простиранием нарушенных пород,косые (диагональные) сбросы, сместитель которых ориентирован под углом кпростиранию пород, и поперечные сбросы, направленные вкрест простирания пород.
Посоотношению наклонов сместителя и нарушенных пород выделяются согласные инесогласные сбросы. У согласныхсбросов наклон пород и сместителя направлен в одну и ту же сторону; унесогласных сбросов породы и сместитель падают в противоположные стороны.
/>
Взбросаминазываются нарушения, в которых поверхность разрыва наклонена в сторонурасположения приподнятых пород.
Классификация взбросовпочти совпадает с классификацией сбросов. Взбросы также различаются по рядупризнаков.
/>По углу наклона сместителя выделяются: пологие взбросыс углом наклона сместителя до 30°, крутые — с углом наклона от 30 до 80° ивертикальные — с углом наклона сместителя от 80 до 90°. По отношению кпростиранию нарушенных пород различаются продольные взбросы, у которыхпростирание сместителей совпадает с направлением простирания пород, косые илидиагональные взбросы, ориентированные под углом к простиранию пород, ипоперечные, направленные под прямым углом к простиранию пород. По соотношениюнаклона пород и сместителя (в вертикальных разрезах) выделяют согласные инесогласные взбросы. У согласных взбросов наклон пород и сместителя направлен водну и ту же сторону, у несогласных — породы и сместитель наклонены впротивоположные стороны.