ГЕОХИМИЯ ЭКЗОГЕННЫХ (ГИПЕРГЕННЫХ) ПРОЦЕССОВ

Экзогенные (или гипергенные, поверхностные) процессы протекают на поверхности Земли, а также в атмосфере и гидросфере при климатической температуре, атмосферном давлении и связаны с энергией Солнца.

Главнейшими здесь являются:

1) процессы выветривания;

2) процессы осадконакопления.

Осадочные горные породы образуются в результате разрушения и последующего отложения разнообразных продуктов выветривания магматических и метаморфических (и осадочных) пород. Образование осадочных пород связано с экзогенными процессами, протекающими на поверхности Земли и в гидросфере.

Классификация осадочных пород:

-         обломочные;

-         хемогенные и органогенные;

-         глинистые.

Обломочные породы образуются из механических осадков (гравий, песок, глины и пр.).

Хемогенные образуются из химических осадков истинных и коллоидных растворов. Выпадение осадка из растворов зависит главным образом от концентрации растворенных солей и температуры раствора. К хемогенным породам относят галитит, калийные соли, некоторые известняки, доломит, бокситы, кремнистые породы.

Органогенные породы образуются в результате деятельности организмов; различают фитогенные (из растений: диатомит, уголь) и зоогенные (из животных: мел, известняк, нефть). Образование большой группы пород связано с химическими и биогенными процессами (биохимические породы).

По месту образования осадочные горные породы делятся на:

-         морские (прибрежные, мелководные, глубоководные);

-          лагунные;

-          континентальные (пресноводные, ледниковые, пустынные, эоловые и др.).

Химический состав осадочных горных пород разнообразней состава исходных магматических и метаморфических пород. Это объясняется очень тонким разделением продуктов разрушения этих пород и переходом в раствор их составных частей.

Минеральный состав осадочных пород характеризуется присутствием тех минералов, которые являются устойчивыми в зоне осадконакопления или образуются в экзогенных процессах. Среди них: кварц, халцедон, опал, минералы группы каолинита (каолинит, монтмариллонит и т.д.), глауконит, силикаты железа, гидроокислы железа, марганца, аллюминия; карбонаты – кальцит, доломит, сидерит, арагонит; галоидные соединения и сульфаты – галит, сильвин, карнамит, гипс, барит, целестин, мирабинит и т.д.

Кроме минерального вещества, осадочные породы часто содержат скелетные остатки организмов в виде окаменелостей.

Горные породы, обнажаясь на поверхности Земли, подвергаются постоянному воздействию атмосферы и других природных агентов и претерпевают выветривание, то есть, постепенно превращаются в обломочный или растворенный материал.

Известны 2 типа выветривания – физическое и химическое. Оба типа обычно проявляются совместно, причем значимость каждого зависит от климатических условий.

В тех местах, где протекание природных химических реакций ограничено недостатком влаги или тепла, что характерно для пустынь и холодных областей, основную роль в процессе выветривания играют температурные колебания атмосферы (температурное выветривание). Так в пустынях с их жарким климатом перепады между дневными и ночными температурами нередко достигают 40°C. В течение дня поверхностные слои пород непрерывно разогреваются солнцем, при этом слагающие их минералы расширяются, но в различной степени, в результате чего в породах создается внутренние ослабляющие их напряжения. Ночью протекает обратный процесс – быстрое охлаждение пород и столь же неравномерное сжатие минералов.

Установлено, что даже небольшое количество воды (например, утренняя роса) ускоряет дезинтеграцию пород, ведет к выносу из них легких, хорошо растворимых солей и к их последующему развеянию; в то же время тяжелые, трудно растворимые соли железа, наоборот, накапливаются на поверхности пород в виде своеобразной корочки.

В горах и тундре, для которых характерны сильные колебания низких температур происходит постоянное чередование процессов замерзания поверхностных вод и последующего таяния льда. Вода, накопившаяся в порах, трещинах и расщелинах пород, ночью превращается в лед, объем которого на 9% превышает первоначальный объем воды. Вследствие этого лед давит на вмещающие породы, как бы разрывая их изнутри, в результате чего породы распадаются на отдельные мелкие частицы и зерна или более крупные обломки – щебень.

Продукты гравитационных процессов (осыпей, обвалов), накопившиеся в основании склонов, представляют своеобразный генетический тип континентальных отложений – коллювий (лат. „коллювио” – скопление). Примером результатов физического выветривания является причудливый облик скал и утесов в Альпах.

Физическому выветриванию нередко способствует разрушение их корнями растений (особенно деревьев), сверлящими животными и даже поражение вершин скал молниями.

Более интенсивное и глубокое разложение пород происходит в теплых и очень влажных областях (тропических), где активно идут химические и биохимические реакции. Природные химические реакции очень сложны и в общих чертах сводятся к следующему. Дождевые воды, выпадая на землю и проходя через атмосферу, поглощают из нее некоторые газы (О2, СО2) захватывают и растворяют мельчайшие рассеянные в атмосфере частички различных солей.

Достигнув земной поверхности, эти воды растворяют некоторые находящиеся в почве органические кислоты и становятся, т.о., способными вступать в реакции с минералами горных пород. Под действием химически активных вод минералы постепенно разлагаются или просто растворяются, причем многие продукты разложения выносятся подземными водами, либо увеличиваясь в объеме, оказывают давление на окружающие более стойкие минералы.

К процессам химического выветривания относятся окисление, гидратация, растворение и гидролиз. Окисление особенно интенсивно происходит в минералах, содержащих Fe. Пример – окисление магнетита до устойчивой формы гематита.

FeFe2O4® Fe2O3 (на КМА)

В процессе гидролиза последовательно возникают несколько минералов.

Окисление, часто происходит одновременно с гидратацией. Пример: выветривание пирита

FeS2+mO2+nH2O®FeSO4®Fe2(SO4)3®Fe2O3×H2O.

Крупные скопления бурого железняка образуют „бурожелезняковые шляхи”.

Важную роль в экзогенных процессах играет процесс гидратации. В процессе гидратации происходит закрепление молекул воды на поверхности отдельных участков минералов. Примером является образование гипса из ангидрита Са.

ангидрит®гипс
CaSO4+2H2O
®CaSO42H2O
гетит
®гидрогетит
FeOOH+nH2O
®FeOHnH2O.

Растворение. Под действием воды, стекающей по поверхности горных пород и проникающей в них через поры и трещины, происходит растворение некоторых минералов. Этот процесс ускоряется за счет высокой концентрации ионов H+, а также присутствия О2,СО2 и органических кислот.

Растворимы: галоиды – галитсильвин и др.; сульфаты – ангидрит, гипс; карбонаты – известняки, доломиты (их растворение связано с присутствием в воде углекислоты и образованием кислых солей).

Гидролиз – это процесс разрушения кристаллической структуры под действием воды. В результате образуется новая структура, существенно отличающаяся от первоначальной. Гидролиз очень характерен для силикатов и алюмосиликатов. При этом каркасная структура полевого шпата превращается в слоистую, характерную для вторичных (гипергенных) глинистых минералов. Из кристаллической решетки ПШ выносятся растворимые соединения сильных оснований (K, Na, Ca) которые образуют с CO2 истинные растворы бикарбонатов и карбонатов (К2, СО3, Na2CO3, CaCO3), и которые либо выносятся с места их образования, либо остаются на месте (в условиях сухого климата). Происходит частичный вынос кремнезема и присоединение гидроксильных ионов.

K[AlSiO8] ® (K,H3O)Al2(OH)2 [AlSi3O10]H2O®Al4(OH)8[Si4O10]
(ортоклаз
® гидрослюда ®каолинит)
в условиях умеренного климата образуются месторождения каолинита.
Al4(OH)8 [Si4O10]
®Al(OH)3 + SiO2nH2O
гидраргинит

Корой выветривания называют комплекс остаточных или несмещенных продуктов выветривания, остающихся на месте разрушения коренных гор-пород (элювий).

Процесс формирования кор выветривания включает:

1) разрушение и химическое разложение горных пород с образованием продуктов выветривания;

2) частичный вынос и перераспределение продуктов выветривания;

3) синтез новых минералов в результате взаимодействия продуктов выветривания в ходе их миграции;

4) метасамасоматическое замещение минералов материнских пород.

Различают генетические типы коры выветривания:

а) автоморфная – остаточные или несмещенные продукты выветривания, остающиеся на месте разрушения коренных пород (элювий);

б) гидроморфная(вторичная) – образующаяся в результате выноса почвенными и грунтовыми водами химических элементов в виде коллоидных растворов при формировании автоморфной коры.

Образованию кор выветривания способствуют: повышение температуры; влажности и атмосферного давления, выровненный рельеф, обилие растительности и длительность процесса.

Существуют два морфологических типа кор выветривания: площадной и линейный; площадной – распространяемый в виде покрова или пласта на площади до десятков и сотен кв. км.; приурочен к тектонически спокойным формам рельефа. Линейный имеет в классе линейное распространение и приурочен к зонам повышенной трещиноватости, разломам и т.д

Древние коры выветриванияпрослеживаются с докембрия. Самые древние протерозойские: в Карелии и на Украинском щите. MZ и MZ – KZ не древние коры выветривания – Казахстан, Алтай, Урал и т.д. Классическое развитие кор на Урале с четко выраженной зональностью: дресвянистая зона ® гидрохлористая ® каолинитовая, суммарной мощностью около 100 м.

Полезные ископаемые: бокситы, железные и марганцевые руды; образуют крупные скопления; кроме того, руды никеля, кобальта и др.

Одним из агентов денудации суши является ветер. Особенно интенсивно его деятельность проявляется в пустынях и полупустынях, занимающих около 20% поверхности континентов.

Активная работа ветра проявляется в непокрытых растительностью побережьях морей и некоторых крупных рек. Все процессы, обусловленные деятельностью ветра, называются эоловыми.

Деятельность ветра состоит из процессов дефляции, корразии, переноса и аккумуляции.

Дефляция (лат. «дефляцио» – выдувание) – это выдувание и развеивание ветром тонкого песчаного и мелкозернистого материала. В пустынных областях ветер проникает во все трещины и щели твердых горных пород и выдувает из них все рыхлые продукты выветривания.

Корразия – (корразио – обтачивание, соскабливание) механическая обработка горных пород песчаными частицами, переносимыми ветром, в результате чего они обтачиваются, шлифуются, соскабливаются, выветриваются и т.д. Формы: грибообразные, столбы, обелиски.

Перенососуществляется при захватывании ветром песчаных и пылеватых частиц, которые разносятся таким образом на различные расстояния скачкообразно, перекатыванием, во взвешенном состоянии. Перенос до 160 км, в Африке более 2000–2500 км, на высоте 5–10 см до 3–4 км.

Аккумуляция(лат. «аккумуляцио» – накопление) дает два вида отложений:

а)эоловые пески– обычно кварцевые, размером 0,25–0,1 мм, светло- желтые, хорошо отсортированные с наклонной, перекрещивающейся слоистостью.

б)эоловый лесс– пылеватые частицы размером 0,05–0,005 мм, слоистость отсутствует; разнообразный минеральный состав: кварц, ПШ, роговая обманка, слюда и др.; пористость; вертикальная отдельность; мощность до 100 м. (Китай, река Хуанхэ).

Различают формы эолового песчаного рельефа: барханы (серповидные асимметричные перпендикулярные господствующему направлению ветра); h = 2–3 до 15 м, 20 –30 м в Ливийской пустыне.

Геологическая работа поверхностных текучих вод зависит от массы воды и скорости ее течения. Чем больше масса и скорость, тем больше совершаемая работа. Она складывается из смыва, размыва (эрозии), переноса и отложения (аккумуляции) продуктов разрушения горных пород. Деятельность поверхностных вод, или водная денудация, имеет огромное значение в формировании рельефа. Она приводит к расчленению и в целом к понижению поверхности материков.

Сила воды тонких струек или пелены способна захватывать часть рыхлого, мелкого материала и перемещать его вниз по склону, у основания которого этот материал накапливается. Процесс плоскостного смыва получил название делювиального, а формирующиеся при этом осадки называются делювием. Максимальные мощности делювия 15-20 и более метров, а ширина шлейфа может достигать сотни метров. Под влиянием плоскостного смыва постоянно уменьшается крутизна склонов, они приобретают плавные очертания и характерный вогнутый профиль. В вершине делювиального шлейфа откладывается относительно более глубокий материал – песчаный. В конце шлейфа скапливаются только тонкие пылеватые и глинистые частицы.

Наиболее благоприятные условия для делювиального процесса создаются в пределах равнинных степных районов умеренного и субтропического поясов и зоне сухих саванн, где в кратковременные сезоны выпадения дождей или таяния снега по склонам смываются рыхлые продукты выветривания.

Среди временных русловых потоков выделяются временные потоки оврагов равнинных территорий и временные горные потоки. В этих потоках происходят процессы эрозии, переноса и аккумуляции обломочного материала.

Овраги. Первая стадия: образование на склоне рытвины или промоины. Постепенно промоина увеличивается вниз и вверх по склону. На всем протяжении ее происходит интенсивная глубинная эрозия. Таким образом, овраг удлиняется вверх по течению потока. Такой процесс роста оврага называется регрессивной или попятной эрозией. Помимо роста оврага вверх, происходит энергичная эрозия вниз по склону до тех пор, пока его устье не достигнет реки, озера или моря, куда впадает овражный поток. Уровень реки или какого-либо бассейна, в который выходит овраг, носит название базисаэрозии.

Следующая стадия развития оврага и начинается с момента, когда он достигает базиса эрозии. Применительно к этому уровню глубинная эрозия постепенно сглаживается и приобретает форму вогнутой кривой. В последнюю стадию уменьшается глубинная эрозия, сглаживается обрыв вершины, склоны оврага постепенно осыпаются, приобретают угол устойчивого естественного откоса и зарастают растительностью.

В ряде районов овраги, поверхности которых сложены рыхлыми породами, очень быстро разрастаются. В результате возникает сложная ветвящаяся овражная система, захватывающая огромные площади.

Временные горные потоки. Верховья их расположены в верхней части горных склонов и представлены системой множества сходящихся рытвин и промоин, образующих водосборный бассейн. Из этого бассейна вниз по склону вода движется уже в едином русле, которое называется каналом стока. В период выпадения дождей или снеготаяния все промоины и канал стока заполняются водой, которая с большой скоростью движется вниз по склону. При этом движении вода захватывает обломочный материал, который усиливает разрушительную работу потока. При выходе его на подгорную равнину скорость течения резко уменьшается, откладывается обломочный материал, образуя конус выноса. В Средней Азии и других горных странах аридной зоны конусы выноса, сливаясь друг с другом, образуют широкие предгорные шлейфы.

В строении конусов выноса наблюдается дифференциация материала от более крупного до тонкого по мере удаления от вершины конуса. Отложения конусов выноса образуют генетический тип континентальных отложений и названы пролювием.

Сели. В горных районах периодически возникают бурные грязекаменные потоки, низвергающиеся с большой скоростью, содержащие огромное количество обломочного материала              (до 75–80% от общего объема). В Средней Азии и на Кавказе их называют сели (бешеный поток), в Альпах – муры. Они возникают при быстром таянии снега и льда во время сильных ливней. Сели обладают большой разрушительной силой и иногда носят опустошительный характер.

Реки производят огромную денудационную и аккумулятивную работу, существенно преобразуя рельеф. Питание рек бывает: снеговое, ледниковое, дождевое, смешанное, за счет подземных вод. Для каждой реки в течение года характерно чередование периодов высокого и низкого уровня воды.

Состояние низкого уровня называется меженью, а высокого – паводкомили половодьем. Движение воды в реках всегда турбулентное (беспорядочное, вихревое). В поперечном сечении потока максимальные скорости наблюдаются в наиболее глубокой части потока – стержне, меньшие – у берегов.

Мощные водные потоки производят большую эрозионную, переносную и аккумулятивную работу. Способность рек производить работу называют энергией реки, или ееживойсилой(К). Она пропорциональна массе воды и скорости течения.

В образовании речных долин главная роль принадлежит эрозии. Различают эрозию донную, или глубинную, направленную на врезание потока в породы, слагающие дно русла, и боковую, ведущую к подмыву берегов и, в целом, к расширению долины. Соотношение глубинной и боковой эрозии меняется на разных стадиях развития долины. В начальных стадиях преобладает глубинная эрозия, когда водный поток стремиться выработать свой продольный профиль, который характеризуется значительными неровностями.

Река стремится сгладить эти неровности применительно к уровню моря или озера, в которые впадает. Уровень бассейна, куда впадает река, определяет глубину эрозии речного водного потока и называется базисом эрозии. Он является общим для всей речной системы. Постепенно в нижнем течении реки уклон продольного профиля уменьшается, приближаясь к горизонтальной линии, уменьшается скорость течения и, следовательно, затухает глубинная эрозия.

Одновременно с эрозией реки при своем движении захватывают продукты разрушения (при выветривании или эрозии) горных пород и переносят их волочением по дну, во взвешенном состоянии, и в растворенном виде. Влекомые по дну и взвешенные частицы принято называтьтвердымстоком рек.

Грубый обломочный материал усиливает донную эрозию, но и сам измельчается, истирается и окатывается, образуя гальку, гравий, песок.

Одновременно с эрозией и переносом происходит и отложение обломочного материала. Уже на первых стадиях развития реки при явном преобладании процессов эрозии и переноса на отдельных участках частично откладывается обломочный материал. Отложения, накапливающиеся в речных долинах в результате деятельности водного потока, называются аллювиальными отложениями или аллювием.

Моря и океаны занимают около 361 млн км2 (70,8% всей земной поверхности). Общий объем воды в 10 раз больше объема суши, возвышающейся над уровнем воды, которая составляет 1370 млн км2. Эта громадная масса воды находится в непрерывном движении и поэтому выполняет большую разрушительную и созидательную работу.

На протяжении длительной истории развития земной коры моря и океаны не раз меняли свои границы. Почти вся поверхность современной суши неоднократно заливалась их водами. На дне морей и океанов накапливались мощные толщи осадков. Из этих осадков образовались различные осадочные горные породы. Средняя соленость морской воды составляет 3,5% (в одном литре 35 грамм растворенных солей): NaCl – 78%; MgCl2 – 9; CaSO4 – 4; KCl ~ 2; CaCO3 – 0,04; SiO2 – 0,008%. В ничтожных количествах в морской воде – I, Br, Mn, Zn, Pb, Cu, Au, а также растворены газы СО2 и О2.

Геологическая деятельность моря главным образом сводится к разрушению горных пород берегов и дна, переносу обломков материала и отложению осадков, из которых впоследствии образуются осадочные горные породы морского происхождения.

Разрушительная деятельность моря заключается в разрушении берегов и дна и называется абразией, которая более всего проявляется у обрывистых берегов при больших прибрежных глубинах. Это обусловлено большой высотой волн и большим их давлением. Усиливает разрушительную деятельность моря содержащийся в морской воде обломочный материал и пузырьки воздуха, которые лопаются, создавая большой перепад давлений в породе. Под действием морских прибоев берег постепенно отодвигается и на его месте (на глубине 0–20 м) образуется ровная площадка – волноприбойная или абразионная терраса, ширина которой может быть > 9 км, уклон ~ 1°.

Если уровень моря долгое время остается постоянным, то крутой берег постепенно отступает и между ним и абразионной террасой возникает валунно–галечный пляж. Берег из абразионного становится аккумулятивным.

Берега интенсивно разрушаются при трансгрессии (наступлении) моря и превращаются, выходя из – под уровня воды, в морскую террасу при регрессии моря. Примеры: берега Норвегии и Новой Земли. Абразии не происходит при быстрых непрерывных поднятиях и на пологих берегах.

Разрушению берегов способствует также морские приливы и отливы, морские течения (Гольфстрим).

Морская вода переносит вещества в коллоидном, растворенном состоянии и в виде механических взвесей. Более грубый материал она волочит по дну.

Различают 2 вида перемещения рыхлого материала: поперечное (перпендикулярно линии берега) и продольное (параллельно береговой линии).

Поперечное перемещает рыхлый материал вследствие большей энергии волны идущей к берегу, чем уходящей от него. Естественная сортировка обломочного материала выглядит таким образом: крупнообломочный остается у берегов, а песчаный – на отдалении от них. Крупнообломочный материал может сформировать из валунов и гальки береговой вал.

При продольном перемещении обломочного материала скорость зависит от угла подхода волн к берегу: максимум будет при 45°.

По данным В. А. Обручева в Крыму между Алуштой и Феодосией при волнении в 1 балл обломочный материал за сутки перемещается приблизительно на 6 м, при 4-х баллах – 45 м, при       8-ми баллах – 100 м.

Перенос ветровыми волнами придонного материала наблюдается до глубины 10 м. Приливы и отливы приводят в движение всю массу воды, поэтому обломочный материал не отлагается (пролив Ла - Манш).

Созидательная деятельность моря. В области шельфа обломочный материал откладывается как у самого берега в волноприбойной полосе, так и вдали от него. Береговые валы сложены на крутых берегах крупнообломочным материалом, на пологих – среднеобломочным. Ширина –      до 20 м, высота – 1,5 м (на берегах океанов высота до 15 м). Нередко бывают 2–3 береговых вала.

При косом подходе волн обломочный материал накапливается у его изломов и выступов в виде мысов и кос. Мысы формируются у самого выступа, косы – сразу за ними (длина косы Тендер в Черном море – 90 км).

Терригенные осадки шельфа могут включать органогенные и химические, образующие обособленные участки. Органогенные: коралловые известняки и известняки – ракушечники. Химические: образуются в местах слияния морских вод с речными, несущими соединения Fe, Al, Mn и др. Встречаются в них космические и эоловые элементы – продукты извержений вулканов.

Осадки шельфа откладываются вдоль берега шириной 250–300 км и расширяются в местах впадин рек до 600 км.

Осадки батиальной области представлены тонким алевритопелитовым материалом – синим, красным, зеленым, серым, обогащенным органическим веществом. В их состав входят также конкреции фосфоритов. Для батиальных осадков характерна однородность на больших площадях. Мощность составляет сотни метров.

Осадки абиссальной области представлены известковыми и кремнистыми илами и красной глубоководной глиной. Илы органогенные: фораминиферовые, птеронодовые и глобигериновые; кремнистые илы – диатомовые и радиоляриевые. Красная глубокая глина откладывается на глубине 3500–4000 м. Образование ее связано с продуктами разложения силикатов, попадающих на морское дно в виде вулканической, метеоритной, атмосферной пыли и коллоидных растворов, приносимых морскими течениями.