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.