Роль фізичного вивітрювання на стадії гіпергенезу

Головні фактори – зміни температури, руйнівна дія води, льоду та вітру. При фізичному вивітрюванні відбувається як правило тільки подрібнення порід без утворення нових мінералів величиною від крупних глиб до тонких частинок менше 0,005 мм. При хімічному вивітрюванні, – виникають нові мінерали завдяки окисленню, гідратації та вилуговуванні материнських порід.

Обидва типи вивітрювання тісно зв’язані між собою і в природі невіддільні, проявляються одночасно, але з різною інтенсивністю.

Механічне подрібнення охоплює саму верхню частину літосфери під впливом вітру, атмосферних опадів, річкових вод, тимчасових потоків, ударів хвиль на морі та океані, льодовиків, що сповзають із гір, сили тяжіння, коливань температури, коріння дерев і т.д.

Продукти механічного подрібнення – це головний осадочний матеріал.

Хімічне вивітрювання. Відбувається в основному, під впливом води, кисню та вугільної кислоти. Вода дисоціює на іони Н⁺ і ОН^-, в залежності від концентрації яких вона володіє кислотними, або лужними властивостями, що вимірюється показником рН. Концентрація іонів Н⁺ та ОН^- в дистильованій воді становить 1·10^-7 г-іон\л. Величина рН є логарифмічний показник концентрації водневих іонів, взятий з протилежним знаком: рН=-lgН⁺. Наприклад, при вмісту іонів водню у воді 1·10^-7 г-іон/л, рН=7 і т. д.

Величина рН виростає при зменшенні концентрації водневих іонів, і зменшується, коли концентрація Н^- збільшується. Величина рН визначає хімічну активність води.

Найбільш кислі води спостерігаються в болотах, торф’яниках, слаболужні – морські води, різколужні – води солоних озер і ґрунтові води засолених ґрунтів.

Вода діє на мінерали, породи трьома шляхами – розчинення, гідратація – витіснення іонами Н⁺ основ із силікатів та інших мінералів, гідроліз – повний розпад мінералів.

Приклади: кальцит, стійкий у лужних умовах, в кислих – розчиняється. Гідроокис заліза розчиняється при рН менше 4, 5, а при більших випадає в осадок.

Важливу роль при хімічному вивітрюванні має кисень, який є в повітрі та в розчиненому стані у воді. В повітрі його 20, 946%, у воді в залежності від тиску, температури, солоності від 4-10 мл\л. Він складає 34-36% від загального об’єму розчинених газів.

Інколи кисень відсутній (сірководневе зараження). Кисень, діючи на мінеральні та органічні сполуки, окислює їх. Інтенсивно відбуваються ці процеси там, де мінерали мають хімічні елементи з декількома валентностями (залізо, марганець, сірка та ін.), а також у високодисперсних розчинах. Дуже інтенсивно окислюються сульфіди та органічні речовини.

Коли кисень відсутній – відбувається відновлення речовин. Мірою відновлення чи окислення є величина Eh, що вимірюється потенціометром і виражається в мілівольтах. При додатних значеннях Eh відбувається окислення, при від’ємних – відновлення.

На практиці обстановку середовища визначають за кольором порід. Бурий, червоний, оранжевий кольори – середовище з наявністю трьохвалентного заліза: сірі, чорні, зеленувато-сірі, голубувато-сірі кольори свідчать про наявність двохвалентного заліза, а також тонкодисперсної, обвугленої речовини, ознака відновного середовища.

Величина Eh у природних водах регулюється газовим режимом (кисень, H₂S і ін.) і життєдіяльністю організмів.

Вугільна кислота в процесі хімічного вивітрювання також є важливим агентом. В атмосфері СО₂ – 0,033%, в атмосферних опадах – його кількість виростає до 9,3% (від об’єму всіх газів), а в морських водах до 58% (за Л. Пустоваловим).

Вуглекислий газ і його похідні (, , ) руйнують гірські породи. Так у карбонатних породах руйнуються кальцит, доломіт та ін. сполуки, вивільняючи при цьому глинистий, уламковий, органогенний матеріал, що є готовим осадочним матеріалом.

Діючи на магматичні та метаморфічні породи, вуглекислота руйнує алюмосилікати, утворюючи більш прості сполуки кремнезему, оксиди алюмінію, заліза, глинистих мінералів і т.д. Вивільнені іони Са²⁺, Мg²⁺, Na²⁺, К⁺,  та інші є потенційним матеріалом для утворення осадків.

Важливим фактором хімічного вивітрювання є гумінові кислоти, що утворюються в результаті розкладу решток бактеріями та мікроорганізмами. Вони є головним компонентом перегною (гумусу) у ґрунтах. Гумусові речовини являють собою типові колоїди і мають явно виражені кислотні властивості. Коричневий колір води в озерах та ріках поблизу боліт свідчить про гумінові кислоти. Вони вступають у взаємодію з різними мінеральними речовинами і розчиняють їх, утворюючи осадочний матеріал.

У районах діючих вулканів із надр Землі поступають Cl, F, сірчаний ангідрид (SO₃), сірчистий ангідрид (SO₂), які вступають у реакцію з водяними парами, утворюють мінеральні кислоти, що розчиняють мінерали і гірські породи.

У самій верхній частині літосфери бурхливо розвивається органічне життя й продукти життєдіяльності наземних рослин, і в меншій мірі тварин, які є складовою частиною континентальних, морських і лагуних осадків.

Процеси вивітрювання відбуваються досить швидко. В містах (Л. Рухін) граніти розтріскуються через 40-350 р., мармури – (20-130 років). Руйнування до 5 см глибиною у гранітів відбувається через 40-350 років, мармурів 340-1200 років. Техногенне навантаження прискорює процеси вивітрювання. Про швидкість вивітрювання свідчить формування ґрунтів на лавових потоках поблизу вулканів через декілька десятків років.

Роль гідросфери

У водних басейнах знаходиться величезна кількість розчинених і завислих речовин (у тому числі і колоїдних). Матеріал поступає із суші, за рахунок вулканічної діяльності та з космічного простору.

Частина речовин утворюється тут же в процесі гальміролізу і в результаті діяльності організмів.

Гальміроліз (Пустовалов Л. – 1940 р.) – це сукупність різних хімічних процесів, що відбуваються під впливом морських факторів і які приводять до зміни мінералів (речовин); що знаходяться в морі як на дні, так і в завислому стані.

Гальміроліз охоплює такі реакції, як розчинення, окислення, відновлення, гідратація, катіонний обмін, утворення нових мінералів за рахунок руйнування уламкового матеріалу.

Гальміроліз залежить від:

1 солоності і хімічного складу води;

2 температури води;

3 тиску;

4 газового режиму.

На процесі гальміролізу впливає швидкість накопичення осадку і життєдіяльність організмів.

У результаті гальміролізу розчинені й газоподібні компоненти, вступаючи в хімічні реакції, переходять у тверду фазу. Це відбувається і під впливом життєдіяльності організмів.

Хімічні процеси в морських водах регулюються величинами рН, Eh (зміщування прісних і солоних вод, кількість газів), в результаті чого відбувається утворення кальциту, гідрооксидів заліза, солей.

За рахунок життєдіяльності організмів у тверду фазу переходять кальцит, доломіт, та інші речовини навіть при малих концентраціях. Осадочний матеріал утворюється при фотосинтезі з відмерлих рослинних тканин.

Атмосфера – не є прямим постачальником осадочного матеріалу, але гази, що входять до її складу відіграють певну роль при формуванні осадку. Так до складу вапняків, доломітів, вугілля, С_орг. входять атмосферний вуглець, кисень, азот.

Глибинні надра планети постачають осадочний матеріал у процесі вулканічної діяльності. На поверхню планети поступає твердий, рідкий і газоподібний матеріал (вулканічні бомби до 1 м, попіл і т.д.).

Розсіювання частинок менше 0,01 мм відбувається практично по всій планеті. Так із вулкана Катмай (1912 р.) було викинуто 15-20 км³ різного матеріалу.

Вулканічні гази СО₂, СО, SO₃, SO₂, N₂, H₂, Сl, Аr, Н₂O поступають в атмосферу, а потім взаємодіють із гірськими породами, осадками і розчиненими речовинами, утворюючи новий осадочний матеріал.

Космічний простір також є постачальником осадочного матеріалу у вигляді метеоритів, метеоритного й космічного пилу. Роль метеоритів, метеоритного пилу невелика. За речовинним складом вони поділяються на залізні, залізокам’яні, кам’яні (хондрити), і склоподібні (тектити). Незначна роль і метеоритного пилу.

Більша роль належить космічному пилу (шаровидні частинки до 0,5 мм). За кольором вони бувають залізні чорні з магнітними властивостями, кам’яні або силікатні – більш світлі, скловидні – мікротектити – світло-зелені, жовті, безкольорові.

Кількість космічного матеріалу, що поступає щорічно на Землю дуже велика – від 5 тис. тон до 1 млрд. т. Вірогідно, що ця цифра становить 50-100 тис. тон, в сучасну епоху.

Стійкість мінералів при вивітрюванні.
Механічна і хімічна стійкість

Механічна стійкість залежить від твердості, спайності, ступеню вивітрювання мінералів.

Хімічна стійкість залежить від хімічного складу, кристалічної будови, характеру середовища й часу, що мінерал знаходиться в цьому середовищі, ступеню дисперсності.

Наприклад, розчинність польових шпатів у порошку у воді незначна, але вона різко зростає в соляній кислоті.

При підвищеному тиску й температурі розчинність мінералів у воді зростає, а ще більше в кислотах.

Досить стійкі до процесів вивітрювання кварц, польові шпати, лімоніт, циркон, гідрооксиди заліза, кількість яких у продуктах вивітрювання приблизно така ж як і у свіжій породі, нестійкі – плагіоклази, піроксени, амфіболи, біотит.

Здатність мінералів по-різному протистояти зовнішнім факторам дії веде до того, що в процесі вивітрювання збільшується кількість стійких, а нестійкі можуть повністю зникнути. Ці явища мають велике значення при реконструкції палеокліматичних і палеогеологічних умов.

На процеси вивітрювання має великий вплив клімат, рельєф, тектонічний режим.

Н. Логвиненко приводить дані, як відбуваються процеси вивітрювання в різних кліматичних зонах.

Формування кори вивітрювання відбувається, коли продукти вивітрювання довгий час знаходяться на поверхні Землі.

 

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ

 

1  З яких компонентів складаються осадочні породи?

2  В яких геосферах відбувається формування осадочного матеріалу?

3  Що таке гіпергенез?

4  Яке значення має фізичне й хімічне вивітрювання на стадії гіпергенезу?

5  Що таке гальміроліз?

6  Яка роль атмосфери, глибинних надр планети і космічного простору на стадії гіпергенезу?

7  Як проявляється механічна й хімічна стійкість мінералів на стадії гіпергенезу?

 

 

 

ЛЕКЦІЯ №4

ПЕРЕНОС (ТРАНСПОРТУВАННЯ)
ОСАДОЧНОГО МАТЕРІАЛУ

 

 

Вслід за стадією гіпергенезу і паралельно з нею відбувається перенос та осідання осадочного матеріалу. Осадочний матеріал майже не залишається на місці свого формування. Під дією різних факторів він переноситься на різні ділянки земної поверхні, сприятливі для його накопичення та захоронення, це переважно понижені ділянки суші та дно водойм. Транспортування осадочного матеріалу здійснюється переважно за допомогою води і вітру, крім того помітну роль в переміщенні осадків відіграють рухомі льодовики, айсберги, прибережний лід, а також пов’язані з силою тяжіння зсуви, обвали та живі організми.

Перенос водою

Вода виконує головну роботу при переносі осадочного матеріалу. Осадочний матеріал на значні відстані переноситься ріками, морськими та океанічними течіями, тимчасовими потоками, які виникають при випаданні атмосферних опадів, розтаванні снігу, льоду. В цілому води несуть величезну кількість уламкового, вулканогенного, колоїдного, розчинного та органогенного матеріалу. Величина уламків та органогенних решток визначається швидкістю переміщення водних потоків та густиною матеріалу. Переміщення осадочного матеріалу, в залежності від форми частинок, розміру, густини здійснюється в завислому стані, скачкоподібно (шляхом сальтації) та перекочуванням.

На процеси переносу впливає також швидкість та режим течій (турбулентний, ламінарний). Гірські ріки зі швидкістю 7-10 м/сек з турбулентним режимом здатні переміщати не тільки пісок, гальку, але і величезні глиби. Рівнинні ріки, які мають швидкість 0,2-0,5 м/сек, а під час паводків до 2м/сек, переносять значно дрібніший матеріал.

Відмічено, що для розмиву осадка необхідні більші швидкості течій і потоків, ніж для підтримки їх переміщення, Піщані осадки розмиваються швидше, ніж алевритові та глинисті. Це пояснюється тим, що для взмучування осадку потрібний турбулентний режим, який виникає при торканні води з жорсткою поверхнею. Оскільки поверхня глинистого осадку більш гладка, то для розмиву його потрібна велика швидкість потоку. Річкові води крім уламкового матеріалу, переносять величезну кількість речовин в колоїдному і розчиненому стані, а також біогенні рештки. Зокрема, р. Волга виносить в середньому за рік 115416 тис. т розчинених речовин, р. Аму-Дар’я – 13398 тис. т, р. Міссісіпі – 126360 тис. т. Всі ріки Землі щорічно зносять з материків приблизно 4868 млн. т розчинених речовин і 12685 млн. т завислого матеріалу.

Величезну роботу по транспортуванні осадочного матеріалу здійснюють тимчасові потоки, які утворюються на суші під час ливнів, а в горах можуть утворюватися селі та мури. Кількість матеріалу, який переміщають дощові і снігові води – величезна, вона можливо перевищує кількість матеріалу, який переноситься ріками.

Значну роботу по транспортуванні осадочного матеріалу виконують морські та океанічні течії. Швидкість їх сягає З м/сек, а протяжність виміряється тисячами кілометрів (Гольфстрім). Встановлено, що в кожному кубічному кілометрі води знаходиться біля 35 млн. т розчинених речовин і 350-500 т завислих частинок.

Морські течії діють разом з вітровими хвилями, які проникають на глибину, рівну довжині хвилі. Такі хвилі періодично взмучують придонні осадки і залишають на їх поверхні знаки бриж. Періодично в морях та океанах під дією землетрусів, вулканічної діяльності виникають гігантські хвилі (цунамі), які проникають на глибину до 1000 м і більше. Головною ареною вітрових хвиль є прибережна зона літоралі і субліторалі. Вітрові хвилі постійно діють на осадок, сортують його і переносять вздовж акваторії на десятки і сотні кілометрів. За даними В. Зенковича на побережжі Чорного моря під час штормів приходять в рух товщі галечників до 2м, які за добу переміщаються вздовж берега на 100 м і навіть більше. Такі процеси переміщень теригенного матеріалу відбуваються у великих масштабах.

Перенос атмосферою

Перенос осадочного матеріалу залежить від швидкості переміщення повітряних мас. Густина повітря значно нижча, чим води, тому то при рівних швидкостях руху повітря і води, переміщення осадочного матеріалу повітрям набагато нижче. Вологий уламковий матеріал переноситься вітром слабо.

За даними Ж. Туле при V вітру – 0,5 м/сек переносяться частинки діаметром 0,04 мм, при – 13,0 м/сек – 1,05 мм.

Швидкість вітру змінюється в широких межах, навіть за короткий час (10-15 м/сек на протязі хвилини до 50 м/с (урагані). Біля поверхні Землі швидкість вітру 0, 5-10 м/сек, у вищих шарах атмосфери швидкість зростає.

Максимальний розмір частинок, які переносить вітер, досягає 20 мм, значно менший, ніж водою, але об’єм осадочного матеріалу, який переміщає вітер - колосальний.

За даними Л. Пустовалова за останні 2600 років з дельти р. Нілу вітер виніс осадки товщиною 2,5 м. На півдні України часто спостерігаються пилові бурі, які викликають ерозію ґрунтів. Зокрема в Поволжі в 1928 році був зруйнований і винесений ґрунтовий шар до 12 см товщиною. В Атлантичний океан із пустелі Сахара щорічно виноситься величезна кількість осадочного матеріалу. Віддаль переносу осадочних частинок залежить від розміру частинок, швидкості і напрямку вітру. Пелітовий та алевритовий матеріал може переноситись в завислому стані на тисячі кілометрів. Пісок може переноситись методом сальтації, перекочуванням та дрібний в завислому стані. Якщо вітри непостійні, то осадочний матеріал може довго кочувати в межах однієї території

Осадочний матеріал, який переноситься вітром, найкраще відсортований і є важливим компонентом осадочних порід.

Під час штормів в атмосферу попадають краплі солоної води, які при випаровуванні утворюють частинки солі і можуть заноситись далеко на материки і випадати у вигляді солоного дощу.