Стабильность минералов в почвенном слое

Знание среднего валового химического состава осадка или его минералогического состава требует прежде всего понимания разницы между химическим и минералогическим составом продукта выветривания и составом породы, из которой он образовался. Рассмотрим оба аспекта этой проблемы.



Химические изменения, происходившие во время выветривания, определяются путем сопоставления состава продуктов выветривания и состава свежей, невыветрелой породы, из которой они образовались. Это было хорошо показано на примере изменения мортонских гранитогнейсов. Свежие гнейсы содержат около 30% кварца, 19% калиевого полевого шпата, 40% плагиоклаза и 7% биотита. Оставшиеся 3% приходятся на амфибол, магнетит и акцессорные минералы. В табл. 13-2 приведен химический состав невыветрелого гнейса (колонка А) и измененной породы (колонка Б). Судить о действительных изменениях по данным этих анализов трудно, поскольку их суммарные результаты в обоих случаях должны, разумеется, составлять 100%. Например, изменение содержания глинозема от 14,62 до 26,14% не означает поступления дополнительного количества его, а свидетельствует лишь об увеличении его доли в общем составе по отношению к другим компонентам, часть которых была удалена за счет выщелачивания. Поскольку глинозем является довольно инертным и менее склонен к миграции в растворе по сравнению с большинством других окислов, предполагается, что его количество осталось прежним. Если это так, то 100 г невыветрелой породы содержат 14,62 г глинозема. Продукт выветривания содержит те же 14,62 г глинозема, если считать, что не было его потерь. Однако если это количество составляет 26,14% от всего остатка, то масса выветрелой породы будет равна 14,62/26,14-100, или 55,88 г. Это количество выветрелой породы содержат столько же граммов глинозема, сколько его было в 100 г свежей породы. Поэтому выветрелый остаток (колонка В) содержит 55,88 части каждого окисла колонки Б; например 30,83 г кремния и т. д. При определении каждого показателя в колонке В на основе соответствующего показателя в колонке А и допущения, что количество глинозема остается постоянным, мы получаем величины обогащения или потерь каждого компонента, приведенные в колонке Г. В данном примере наблюдается явное обогащение окисным железом и титаном и потери кремния, закисного железа, магния, кальция, окислов натрия и калия. Очевидно также увеличение воды и двуокиси углерода (из атмосферы).

Допущение о том, что количество какого-либо окисла остается постоянным, необязательно. Если процент каждого химического соединения, входящего в состав свежей породы, отнесенный к его содержанию в выветрелой породе и умноженный на 100, нанести на соответствующий график в подходящем масштабе, то на графике можно легко прочитать относительные потери или обогащения. На рис. 13-2 дано такое изображение результатов анализа свежих и выветрелых мортонских гнейсов. Полученная диаграмма показывает, что 55,88 г измененной породы содержат столько же глинозема, сколько 100 г исходной породы; однако потребуется 120 г выветрелого остатка для того, чтобы в нем содержалось столько же кварца (71,54 г), сколько его присутствует в 100 г материнской породы, и т. д. Очевидно, что содержание глинозема по отношению к кварцу повышается или, что вернее, — содержание кварца по отношению к глинозему уменьшается. Аналогичным образом все точки, находящиеся на диаграмме слева от глинозема, характеризуют повышение содержания по сравнению с этим окислом, тогда как всем точкам, лежащим справа, соответствуют потери. Из данной диаграммы можно вывести величины потерь или обогащения по отношению к любому окислу. Из всех первоначальных компонентов данной породы наибольшими потерями в процессе выветривания характеризуются окислы натрия, а наименьшими — окисное железо. По величине потерь компоненты располагаются в следующем порядке: Na2O, К2О, СаО, MgO, SiO2, Аl2O3, окислы железа.

Среднюю величину потерь можно определить путем изучения изменений большого числа пород по аналогичной методике (или сопоставляя средние данные по изверженным и осадочным породам). Исследователи процесса выветривания сходятся на том, что все компоненты, за исключением воды, подвержены потерям при продолжительном выветривании. Порядок мобильности окислов (порядок потерь различных окислов) в интерпретации различных исследователей приводится в табл. 13-3. Различие в порядках, приведенных в этой таблице, объясняется, по-видимому, ограниченностью использованных данных. Можно предполагать, что некоторые расхождения связаны с различием типов пород. Более существенным фактором является, по-видимому, разница в климате.

Именно на различиях в мобильности окислов основываются выводы о степени зрелости продукта выветривания (или о потенциале выветривания).



Если существует определенный порядок или дифференциальная скорость потерь химических окислов, то и породообразующие минералы, содержащие эти окислы, должны характеризоваться различной степенью стабильности. Этот вывод постоянно подтверждается как наблюдениями, так и экспериментальными данными, описанными в геологической литературе. Мафические минералы как группа менее стабильны, чем щелочные полевые шпаты; калиевые полевые шпаты более стабильны, чем натро-известковистые и т. д.

Стабильность минерала — это его устойчивость к изменениям. B данном случае его химическая стабильность, т. е. устойчивость к растворению и химическому разложению, интересует нас больше, чем его механическая стабильность, т. е. устойчивость к абразии. Во время своего образования минералы, по-видимому, находятся в равновесии со средой и потому стабильны. Однако, попадая в новые условия, отличные от тех, в которых эти минералы образовались, они проявляют тенденцию к растворению и химическому разложению. Многие породообразующие минералы были образованы на больших глубинах, при повышенных температурах и давлениях. Когда эти минералы попадают в условия низких температур и давлений, в обводненную среду, которая преобладает у поверхности Земли, многие из них становятся нестабильными и претерпевают растворение и химическое разложение. Такие изменения, происходящие в почвенном слое и вообще в осадочном чехле, необходимо изучить для того, чтобы надлежащим образом интерпретировать осадочные породы. Наука об этих изменениях получила меткое название — «патология минералов».

Существуют различные признаки стабильности или нестабильности. К «патологическим» признакам, указывающим на нестабильность, относятся травленые поверхности или корродированные края. Регенерационные оболочки или вторичные обрастания, напротив, свидетельствуют о стабильности, поскольку указывают на тенденцию минерала к росту, а не к разложению. Исчезновение минералов или их отсутствие в почве наряду с присутствием других остатков, свойственных породе, в которой содержатся интересующие нас минералы, свидетельствует об их нестабильности. В определенных пределах стабильность минералов может быть определена экспериментально, путем измерения потерь при растворении в несколько ограниченных и упрощенных условиях выщелачивания.

Все минералы обладают различной устойчивостью к растворению и распаду. Было предпринято много попыток определить относительную стабильность минералов в почвах и осадках. Известен ряд обобщающих работ по этому вопросу.

Наметились два главных подхода к определению относительной стабильности обломочных минералов. Первый, возможно более непосредственный и более важный, заключается в изучении разрезов почв и в наблюдении за исчезновением минералов по мере перехода от свежей породы к измененной. Второй подход сводится к определению и сопоставлению частоты встречаемости нескольких минеральных групп в современных и древних осадочных отложениях. Он основан на допущении, что частота встречаемости определенных минералов, соотнесенная с их содержанием в исходной породе, некоторым образом связана с их устойчивостью.

Гольдих, основываясь на количественном анализе нескольких разрезов почв, расположил наиболее распространенные породообразующие минералы в «ряд минеральной стабильности», почти идентичный реакционному ряду Боуэна (табл. 13-4). Однако это расположение не следует интерпретировать как реакционный ряд. Выветривание оливина не приводит к образованию пироксена, который, в свою очередь, превращается в амфибол, и т. д. Скорее можно ожидать, что в нормальной изверженной породе, которая содержит оливин и пироксен, скорость химического разложения у оливина будет больше, чем у пироксена, а у пироксена — больше, чем у роговой обманки, и т. д. Аналогично при прочих равных условиях можно ожидать, что габбро разрушается быстрее, чем гранит. Гольдих имел дело в основном с обычными породообразующими минералами. Другие исследователи изучали и редкие акцессорные минералы и пытались определить сравнительную стабильность этих «тяжелых» минералов.

Синдовский с соавторами сгруппировал тяжелые минералы в несколько классов в порядке их устойчивости к выветриванию (табл. 13-5). Отчасти этот ряд был определен путем сопоставления содержания тяжелых минералов в молодых и древних террасах Рейна. Древние террасы обеднены тяжелыми минералами, по-видимому, за счет выщелачивания или растворения и выноса наименее стабильных минералов. Как указывает Синдовский, любое существенное различие в содержании тяжелых минералов между осадочными образованиями двух разновозрастных террас следует рассматривать скорее как результат селективных потерь определенных минералов после осадконакопления, чем как следствие различных источников сноса или различных условий выветривания материнских пород до отложения продуктов выветривания. Потери после осадконакопления являются следствием внутрипластового растворения, результаты которого обычно сходны с результатами растворения в разрезе исходной породы.



Геолога, изучающего осадочные породы с точки зрения химической мобильности породообразующих окислов и стабильности породообразующих минералов, интересует, насколько эти свойства согласуются с концепцией зрелости осадка. Зрелость кластических осадков определяется степенью их приближения к конечному продукту тех породообразующих процессов, которым они подвергаются. Поэтому индекс потенциала выветривания, введенный Райхе, является показателем зрелости. Чем более зрелым является осадок, тем меньше его потенциал выветривания. Однако этот индекс нельзя применять ко всем осадкам без исключения. В качестве показателя зрелости он применим лишь к выветрелым остаткам или к их промытым эквивалентам. Для пород смешанного механико-хемогенного происхождения он не может быть применен. Песчаники с карбонатным цементом, выделившимся из водного раствора, содержат в большом количестве окислы кальция и магния. Обогащение материалами, утерянными в процессе выветривания, повышает потенциал выветривания и маскирует первоначальную зрелость осадка, к которому добавляются эти материалы.

Фогт определял зрелость как степень приобретения осадком остаточного характера. Фогт допускал с достаточным основанием, что глинистые осадки по мере того, как они становятся более зрелыми, должны обогащаться глиноземом. Однако истинное обогащение глиноземом может быть замаскировано изменением содержания независимого кварцевого компонента, а это приводит к тому, что глинистые осадки с различным остаточным характером могут характеризоваться одним и тем же содержанием глинозема и наоборот. Для того чтобы устранить маскирующий эффект кремнезема, меняющийся в зависимости от структуры (см. табл. 8-4), Фогт пересчитал результаты химического анализа, исключив SiO2 (и TiO2) и приняв сумму оставшихся компонентов за 100. Обычно содержание MgO, CaO и Na2O понижается постепенно и равномерно с возрастанием остаточного характера, тогда как содержание K2O, SiO2 и ТiO2 повышается. Содержание окислов железа остается постоянным, в то время как состав остальных компонентов меняется в широких пределах. Глинозем является, по-видимому, наименее мобильным, тогда как Na2O вымывается из породы в первую очередь. Однако в отличие от окислов кальция, магния и калия его содержание не восстанавливается за счет вторичного обогащения в обычном цикле седиментации. Поэтому отношение глинозем/сода в глинах можно использовать как упрощенный химический показатель зрелости.

Единственным химически и физически стойким минералом, образующим плутонические горные породы и достаточно распространенным чтобы образовывать крупные скопления, является кварц. Поэтому минералогическая зрелость песка выражается содержанием кварца. Поскольку большая часть кварца первоначально была связана с полевыми шпатами, зрелость песка можно также выражать через дефицит полевого шпата или через отношение кварц/полевой шпат. Последний показатель не очень подходит для песков, которые образовались из обломочных пород, обедненных полевыми шпатами. Обедненность исходной породы полевыми шпатами приводит к ложному завышению отношения кварц/полевые шпаты. Пески, образовавшиеся за счет супракрустального комплекса, содержат обломки пород, ни одна из которых, за исключением кремня, не обладает ни химической стабильностью, ни механической прочностью. Отношение кремнистых пород к некремнистым может служить хорошим показателем зрелости. Однако наиболее часто применяется отношение кварц+кремни к полевым шпатам+обломкам остальных пород.

Недостаточно оценить зрелость осадка; более важно раскрыть ее значение или геологический смысл. В каких условиях образовались в высшей степени зрелые осадки? Что означает незрелость? Поскольку зрелость есть степень приближения кластического осадка к тому конечному стабильному состоянию, к которому он стремится под воздействием влияющих на него осадкообразующих процессов, постольку она является также совокупным отражением продолжительности и интенсивности проявления этих процессов. Если они непродолжительны, то независимо от их интенсивности конечный продукт останется незрелым. Если же интенсивность процесса (поступление энергии за единицу времени) низка, то конечный продукт также останется незрелым, как бы продолжителен ни был этот процесс. С другой стороны, если интенсивность процесса высока, а его действие достаточно продолжительно, то конечный продукт будет зрелым.

Какие геологические факторы определяют время действия или продолжительность процесса и его интенсивность? Естественно полагать, что время или продолжительность определяются в значительной степени рельефом. Скорость эрозии есть функция рельефа. Высокий рельеф обусловливает высокую скорость эрозии, тогда как низкому рельефу сопутствует замедленная эрозия. В условиях быстрой эрозии почвообразующие процессы отстают от процессов транспортировки и существенная часть не полностью выветрелого материала выносится потоками. В условиях замедленной эрозии выветривание достигает своей завершающей стадии, так что в осадках встречаются только наиболее стабильные остатки. В районах с высоким рельефом, но «молодой» топографией остаются относительно выровненные участки водоразделов. Эрозия этих участков продуцирует зрелый, выветрелый обломочный материал, тогда как глубоко врезанные каньоны являются источниками свежего, невыветрелого материала. Поэтому эрозия таких территорий образует как зрелые, так и незрелые продукты выветривания. Обычно зрелые продукты тонкозернисты и слагают глины, незрелые продукты — грубозернисты и характерны для песчаников. Однако разделение их никогда не бывает полным или совершенным.

Влияние климата более сложно и привлекает к себе внимание исследователей уже в течение многих лет. В тропических условиях, характеризующихся высокой температурой и обилием влаги, выветривание происходит наиболее интенсивно, а его продукты существенно обогащены окислами железа и алюминия; соответственно содержание кремнезема является относительно низким. Конечными продуктами таких почвообразующих процессов в тропиках являются латериты и бокситы. Глины или глинистые сланцы, образовавшиеся за счет таких исходных пород, богаты алюминием и часто бокситоносны. Вообще, можно сказать, что более теплый и более гумидный климат способствует большему распаду исходной породы, тогда как в более холодном, или же в более аридном климате, продукты выветривания характеризуются меньшей зрелостью. Обычно нехватка воды замедляет химические процессы; более грубые остатки, образовавшиеся в аридных условиях, могут содержать много нестабильных минералов.

Однако действительный состав осадочных образований является результатом взаимодействия или совокупного влияния климата и рельефа на исходную породу, а также на процессы абразии и сортировки продуктов выветривания. По Бэррелу, характер тонкого аллювиального или промытого обломочного материала в районе его происхождения обычно можно использовать в качестве индикатора климата. С другой стороны, зернистость и обилие грубых фракций являются мерой скорости эрозии и, следовательно, топографического рельефа. Поскольку рельеф зависит от баланса между воздыманием и эрозией, характер грубого материала указывает также на тектонический режим.

В какой степени вышеописанные принципы, дедуктивно выведенные Бэррелом, Крыниным и др., согласуются с результатами геологического изучения осадочного материала, транспортируемого современной речной сетью в районах с различными климатом и рельефом? Как правило, мы не располагаем достаточным фактическим материалом по этому вопросу, однако бывают и исключения. Исследования Крынина в тропиках Южной Мексики показали, что речные пески являются полевошпатовыми, несмотря на высокую среднегодовую температуру (26,5°С) и обилие осадков (300 см). Гиббс в своем блестящем исследовании осадков, выносимых Амазонкой, подтвердил вывод Крынина о том, что рельеф контролирует содержание полевых шпатов в осадке в большей степени, чем климат. Гарнер, на основании изучения четырех регионов в Андах, полагал, что на зернистость кластических осадков климат влияет сильнее, чем рельеф. Аридный климат обусловливает образование грубозернистого аллювия, свидетельствующее о полном выветривании; гумидный климат формирует в основном алевриты и глины. Исследований с целью проверки концепций о связи рельефа и климата со зрелостью осадка в определенных, специально выбранных для этого регионах проводится очень мало. Уэбб и Поттер исследовали песчаные наносы ручьев в аридном регионе с высоким рельефом. Робелен изучал аналогичные образования, но в гумидном регионе с низким рельефом. Эти работы в числе немногих других характеризуют попытки определить и дифференцировать влияние климата, рельефа и исходной породы на характер осадков.

He следует забывать, что зрелость песчано-галечных образований в отношении их структуры и состава до некоторой степени является результатом механического воздействия, т. е. уничтожения обломков пород, поликристаллического кварца и выноса глинистого материала.