Глава 2 ПРОИСХОЖДЕНИЕ МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД

2.1. Происхождение минералов

Планета Земля состоит из минералов и горных пород, которые служат основой формирования почв и определяют их свойства.

Минералы являются природными химическими соединениями различных элементов, могут быть твердыми — кварц (Si0₂); доломит [Са, Mg(C0₃)₂]; гематит (Fe₂0₃); микроклин [(K₃Na)(AlSi₃0₈)]; галит (NaCl); кальцит (СаС0₃); магнезит (MgC0₃) и др.; жидкими — вода (Н₂0); газообразными — диоксид углерода (С0₂); аммиак (NH₃); метан (СН₄); водород (Н₂) и др. Известно более двух тысяч минералов. Минералы, часто встречающиеся и образующие основу горных пород, называют породообразующими. Содержание минералов в земной коре представлено в табл. 2.

По данным американского геохимика Ф. У. Кларка, среди породообразующих минералов преобладают полевые шпаты, пи-роксены, кварц, в которых содержание кислорода (49 %), кремния (26 %), алюминия (7,45 %) составляет по массе 82,5 %. Остальных элементов значительно меньше. Например, калия — 2,35 %, фосфора — 0,12, азота — 0,04 %.

Горные породы — природные агрегаты минералов, образующие геологические тела более или менее постоянного химического состава. Форма, размеры и взаимное расположение минералов обусловливают структуру и текстуру горных пород.

Минералы, образовавшиеся в недрах земной коры из компонентов магмы, называют первичными: лабрадор — Ca[Al₂Si_l20₈], микроклин — [(K₃Na)(AlSi₃0₈)], ортоклаз — K₂[Al₂Si₆0₁₆],

кварц — Si0₂, слюда — KAl₂[AlSi₃O_I0][OH]₂, флюорит — CaF₂, кальцит — СаС0₃, сидерит — FeC0₃, пирит — FeS₂ и др.

Первичные минералы, попадая на дневную поверхность в результате вулканических процессов, подвергаются выветриванию. Величина частиц первичных минералов крупнее 0,001 мм.

В результате сложных физических, химических и биологических процессов образуются новые минералы, которые называют вторичными. По происхождению такие минералы делятся на две группы:

а) связанные с постмагматическими и метаморфическими, главным образом гидротермальными процессами (образовавшиеся в результате серитизации, хлоритизации, каолинизации и др.);

б) связанные с гипергенными процессаим (выветриванием и химической седиментацией) — это различные глинистые минералы, оксиды и гидроксиды, карбонаты, хлориды, сульфаты и др.

Вторичные минералы преобладают в виде частиц менее 0,001 мм.

Под выветриванием понимают изменение физического состояния и химического состава минералов и горных пород под

воздействием воды, воздуха, температурных колебаний, живых организмов, делювиальных потоков (талых и дождевых вод), деятельности моря, рек и ледников. Различают физический, химический и биологический типы выветривания, которые происходят, как правило, одновременно, с различной интенсивностью. В разных природных зонах, в зависимости от создавшихся условий, преобладает, как правило, одно из них.

Физическое выветривание — механическое разрушение горных пород и минералов без изменения их химического и минералогического составов. Физическое выветривание усиливается при больших амплитудах температур, проникновении воды в трещины горных пород. Разрушение увеличивается при замерзании воды.

В жарком климате действие, аналогичное замерзающей воде, производят соли. Они проникают в трещины горных пород в растворенном виде вместе с влагой, а при ее высыхании кристаллизуются. При росте кристаллов их объем увеличивается, и они оказывают существенное давление на стенки трещин. Например, CaS0₄, присоединяя воду, превращается в гипс (CaS0₄ • 2Н₂0), увеличиваясь в объеме на 33 %.

Раздробленные физическим выветриванием горные породы приобретают водопроницаемость и частичную влагоемкость, увеличивают общую поверхность, что благоприятствует химическому выветриванию. Усиление трещиноватости горных пород способствует также более легкому проникновению в них корней, таким образом активируя и биологическое выветривание.

Яркими примерами подавляющего господства процессов физического выветривания могут служить выровненные поверхности гольцов на Северном Урале, в горах Среденей и Восточной Сибири, где среди каменных россыпей высятся лишь отдельные скалы причудливой формы — свидетельства былого состояния вершинной поверхности.

Физическое выветривание горных пород и минералов замедляется по мере уменьшения размеров образующихся в результате него частиц и практически сходит на нет по достижении ими состояния крупной пыли — т. е. частиц диаметром 0,05—0,01 мм.

Химическое выветривание — процессы разрушения первичных минералов и горных пород с изменением их минералогического и химического составов. Это химические реакции под влиянием воды, диоксида углерода и кислорода, приводящие к образова-

нию вторичных минералов в гидросфере и в зоне осадочных пород, особенно в поверхностных слоях. Повышение температуры воды и насыщение ее углекислым газом, который создает кислую реакцию, увеличивает разрушающее действие на минералы, повышает их растворимость. Например, растворимость кальцита значительно возрастает при содержании в воде С0₂, он превращается в гидрокарбонат:

СаС0₃ + С0₂ + Н₂0 <-> Са(НС0₃)₂

Наиболее распространенными реакциями при химическом выветривании являются окисление, гидролиз, гидратация, кар-бонатизация и оглинивание (образование глинистых минералов).

При химическом выветривании первичных минералов образуются вторичные в виде простых солей, гидроксидов, оксидов и глинных минералов. Образование вторичных минералов и их более высокая растворимость в воде создают условия для вовлечения химических элементов в биологический круговорот веществ. Замещение катионов или анионов в одних минералах приводит к образованию новых минералов (метасоматический процесс). Особое значение имеет образование глинных минералов, которые придают почвам агрономическое свойство — поглотительную способность, обеспечивающую важные для плодородия почвы режимы.

К скрытокристаллическим относят глинные минералы группы каолинита, монтмориллонита и гидрослюд. К группе каолинита относится каолинит — Al₄[Si₄O,₀](OH)₈ — это двухслойный по кристаллической решетке минерал. Галлуазит — Al₄[Si₄O|₀](OH)₈ • 4Н₂0, образующийся при разрушении каолинита.

К группе монтмориллонита относится трехслойный по кристаллической решетке минерал монтмориллонит, структура которого отвечает формуле [Al₄(OH)₄Si₈O₂₀] • лН₂0.

К группе гидрослюд относят продукты химического выветривания слюд и полевых шпатов: иллит (К, Н₂0)А1₂(0Н)₂ [(А1, Si)₄O_l0] • лН₂0, вермикулит (Mg, Fe²⁺, Fe³⁺)₃(OH)₂[(Si,Al)₄O_l0] • 4Н₂0 и др. В почвах содержатся минералы, не относящиеся к глинным, но обладающие сходными свойствами — это цеолиты — группа алюмосиликатов кальция, натрия, калия, обладающие высокими адсорбционными свойствами по отношению к катионам.

Под биологическим выветриванием понимают механическое разрушение и изменение химического состава горных пород и минералов под влиянием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Корни растений и микроорганизмы выделяют диоксид углерода и органические кислоты, разрушающие минералы.

Нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии — серную кислоту. Под действием этих кислот на минералы образуются легкорастворимые в воде соединения, катионы или анионы которых легко поглощаются растениями и микроорганизмами:

2K₂[Al₂Si₆0₁₆] + 4HN0₃ + 2Н₂0 = [Al₄(OH)₈Si₄O₁₀] + 8Si0₂ + 4KN0₃

ортоклаз

Калийная селитра — KN0₃ легкорастворимая соль, катион К⁺ легко поглощается растениями из раствора.

2Са₅[Р0₄]₃0Н + 14HN0₃ = ЗСа[Н₂Р0₄]₂ + 7Ca(N0₃)₂ + 2Н₂0 апатит

Образующийся монофосфат кальция растворяется в воде, и анион фосфорной кислоты становится доступным для растений.

Значительное влияние на минеральную и органическую часть почвы оказывают черви, личинки различных насекомых и другие животные. Диатомовые водоросли способны разлагать алюмосиликаты, силикатные бактерии разрушают полевые шпаты; грибы рода Penicillium способны разрушать первичные минералы; лишайники разрушают породы механически и изменяют их химический состав. Минералы, образующиеся при участии живых организмов, называют биолитами: диатомиты, кораллы, известняк, каменный и бурый угли и др.

В слое земной коры от поверхности до грунтовых вод, создаются благоприятные условия для выветривания минералов и горных пород, где происходит периодическое смачивание фильтрующимися дождевыми и талыми водами, содержится достаточно воздуха, изменяются температура и атмосферное давление, поэтому этот слой земной коры называют корой выветривания.

Процессы выветривания в большой степени обусловлены климатом. В условиях засушливого климата растворимые продукты выветривания остаются и накапливаются, а в условиях влажного климата выщелачиваются, вымываются в нижележащие слои и в грунтовые воды.

Различают два основных типа коры выветривания: сиаллит-ную и аллитную. Сиаллитная кора формируется в регионах с умеренно влажным климатом, для нее характерно содержание в составе пород 65—75 % Si0₂ и 10—15 % А1₂0₃, образование глинных минералов монтмориллонитовой группы и гидрослюд. Ал-литная кора выветривания формируется в условиях влажного субтропического и тропического климата. Для нее характерно повышенное содержание алюминия в породах (до 35 % А1₂0₃)при снижении до 50 % содержания Si0₂, преобладание минералов группы гидроокисей железа и алюминия, разрушение первичных минералов, вынос оснований и кремнезема. В составе глинных минералов преобладают каолинит или галлуазит.

2.2. Образование горных пород

Горные породы — природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела. Термин «Горная порода» впервые в современном смысле употребил в 1798 г. русский минералог и химик В. М. Се-вергин. По происхождению, строению и свойствам горные породы подразделяют на магматические, метаморфические и осадочные.

Магматические породы образовались при остывании и кристаллизации магмы. Магма (от греч. magma — густая мазь) — расплавленная масса преимущественно силикатного состава, образующаяся в глубинных зонах Земли. При внедрении магмы в земную кору или при ее излиянии на поверхность Земли формируются магматические горные породы. Различают эффузивные и интрузивные магматические породы. Эффузивные породы образовались при излиянии магмы из глубины Земли на ее поверхность во время глубинной активности по вулканическим каналам или трещинам в земной коре. К таким породам относятся андезиты, базальты, диабазы, пемза, вулканическое стекло и др. Интрузивные породы образовались при остывании магмы в толще земной коры: в таких условиях постепенного остывания образуются граниты, диориты, габбро и др. В состав гранитов входят 65—75 % кварца, полевые шпаты (ортоклаз, микроклин), роговая обманка, слюды. В составе габбро 40—52 % Si0₂, плагиоклазы, пироксены, оливин (MgFe)₂[Si0₄]. Все породы магматического происхождения называют первичными.

Метаморфические горные породы образовались из магматических или осадочных пород в недрах Земли в результате сложных превращений, изменения (метаморфизма) их минералогического состава, структуры и текстуры. К таким породам относят гнейсы, кварциты, сланцы и др.

Все осадочные горные породы, образовавшиеся в результате осаждения химических солевых минералов в гидросфере, землистых масс из суспензии текучих вод или органического материала в виде остатков растений, называют вторичными.

В земной коре магматические породы составляют 95 %, а на долю осадочных пород приходится около 5 %. Если рассматривать только так называемую зону гипергенеза, т. е. слои, выходящие на дневную поверхность или залегающие близко к ней, и гидросферу, то в ней осадочных пород окажется около 70—75 %, магматических — 20—25 %.

Большая группа осадочных пород образовалась в результате физического выветривания магматических и метаморфических горных пород и переотложения минеральных частиц ветром, реками, морем, ледниками и водой. Такие породы стали рыхлыми, воздухо- и водопроницаемыми, в них усилились реакции химического выветривания.

Выделяют три группы осадочных пород: обломочные, химические и органогенные. К обломочным относят грубообломочные (валуны, галька, гравий), песчаные (0,05—2,0 мм), пылеватые (0,05—0,005 мм), глинистые (<0,005 мм) и смешанные (почвообразующие): моренные, озерно-ледниковые отложения, суглинки и глины, лессовидные суглинки, лессы.

К химическим осадочным породам относятся известковые туфы (кальцит — СаС0₃), калийные соли: карналлит — КС1 • MgCl₂ • 6Н₂0, сильвинит — mKCl + wNaCl, гипс — CaS0₄ • 2Н₂0, глинные минералы.

К органогенным осадочным породам относятся известняки (ракушечные, коралловые), диатомиты, состоящие из панцирей Диатомовых водорослей, трепелы, опоки — легкие, тонкопористые породы, состоящие из аморфного кремнезема с примесью песка и глинистых частиц. Горючие осадочные породы (торф, сапропель, ископаемые угли), жидкие породы (нефть), газообразные — горючие газы.