2.7. Литогенез. Гипергенез и кора выветривания

В разделе будут рассмотрены следующие вопросы.
Представление о выветривании. Зона гипергенеза. Влияние биоклиматических условий, аридный, гумидный и нивальный типы выветривания, древняя кора выветривания. Полезные ископаемые кор выветривания: силикатные руды никеля, огнеупорные керамические и отбеливающие глины, элювиальные бокситы, железные руды (латериты и болотные руды). Переотложение продуктов выветривания и образование горных пород в результате воздействия экзогенных геологических процессов. Литогенез и его стадии. Типы литогенеза по Н. М. Страхову. Диагенез осадков, эпигенез, катагенез и метагенез осадочных горных пород.


Большинство экзогенных процессов приводят к образованию осадков, представляющих собой рыхлые несцементированные образования. Превращение этих осадков в плотные горные породы (окаменение или литификация) происходит в результате сложного и длительного процесса, называемого диагенезом.

Рыхлая порода представляет собой до диагенеза разнородную смесь реакционно-способных соединений, неуравновешенную и неустойчивую в физико-химическом отношении систему. Поэтому в таком осадке вследствие этого сразу же начинаются следующие процессы:
1) растворение и удаление из осадка малоустойчивых минералов,
2) образование новых минералов в соответствии с новой физико-химической обстановкой,
3) перераспределении отдельных веществ и образовании конкреций,
4) уплотнении и уменьшении его влажности — дегидратация,
5) перекристаллизации.

В процессе диагенеза активное участие принимают бактерии, находящиеся в илах в огромных количествах. Бактерии разлагают углеводороды и органические соединения, создают новые реактивы и тем самым изменяют химизм среды.

При образовании новых минералов в осадке и их перераспределении существенным фактором является степень кислотности среды осадка и содержание в ней свободного кислорода. Увеличение или уменьшение кислорода особенно сказывается на железистых соединениях, которые по мере изменения степени кислотности среды образуют ряд минералов:
в окислительной среде — окислы железа (Fe2O3·nH2O),
в нейтральной или слабо восстановительной среде — сидериты (FeCO3),
в восстановительной обстановке, в осадках богатых органическим веществом — сульфиды железа.

В грубообломочных отложениях прибрежных частей моря, в отложениях пустынь и других континентальных осадках, характеризующихся ничтожным содержанием органического вещества, создаются окислительные условия среды. Из новообразований здесь встречаются только гидрооксиды железа и марганца. Поэтому процесс диагенеза в однородных песках, состоящих из кварцевых зерен, сводится практически к уплотнению и цементации.

В более глубоких и удаленных от берега частях водоемов, где развиты тонкие илы, богатые органикой, окислительные или нейтральные условия создаются лишь в самой верхней части осадка в пределах 10–15 см. Ниже располагается восстановительная зона. В этой верхней окислительной зоне образуются бурые стяжения гидрооксидов железа и черно-бурые и черные скопления оксидов марганца. В процессе диагенеза осадка формируются разнообразные конкреции — сростки или стяжения различной формы, строения и величины (от долей миллиметра до нескольких метров в диаметре). В качестве примера можно указать на бобовые озерные руды, журавчики в лессах, оолитовые известняки, гороховый камень Черского на Байкале. По составу они бывают опаловые, халцедоновые, кварцевые, железистые, фосфатные, пиритовые и гипсовые.

В уплотнении осадка большое значение имеют процессы цементации и перекристаллизации. При этом цементирующие вещества могут образоваться различным способом: сингенетически или одновременно с образованием осадка и эпигенетически, т. е. при последующих изменениях осадка. В качестве цементирующих веществ обычно выступают: кремнезем (кварц, опал, халцедон), оксиды железа, карбонаты, фосфаты и др.

Характер цементирующего вещества часто отражается в названии породы: железистый песчаник, известковый песчаник и т. п.

Перекристаллизации особенно подвержены иловые отложения органогенного и химического происхождения, главным образом, карбонатные и кремнистые, и в меньшей степени, глинистые осадки. Примером быстрой перекристаллизации могут служить коралловые рифы, где органическая основа преобразуется в кристаллический известняк.

Всю совокупность процессов образования осадков (седиментогенез) и осадочных горных пород (диагенез) акад. Н. М. Страхов предложил называть литогенезом.

Образованные в процессе литогенеза осадочные горные породы могут при погружении попасть в еще более жесткие условия высоких температур и давлений. Здесь вновь могут пойти процессы растворения, образование новых вторичных минералов, осаждение растворенных минералов (карбонатов, кремнезема и др.) в порах и трещинах и частичная перекристаллизация вещества. Такой процесс изменения осадочных горных пород, происходящий вне зоны диагенеза и метаморфизма при повышенных температурах и давлениях при наличии минерализованных подземных вод, называется катагенезом.

Стадию изменения горных пород при еще более высоких температурах и давлениях близким к условиям метаморфизма называют метагенезом. Для нее также характерны процессы растворения, перекристаллизации, взаимодействия циркулирующих минерализованных растворов и минералов между собой, при этом процессе происходит привнос и вынос вещества — метасоматоз.

Кроме процесса погружения существует и обратное явление — процесс подъема или воздымания горных пород из глубинных частей земной коры к близповерхностным условиям. Здесь при движении вверх, породы постепенно попадают в иные условия, которые накладывают свои отпечатки на их состав и строение. В условиях поднятий под влиянием различных поверхностных факторов (агентов или «шпионов» — вода, кислород, углекислота и др.) происходит как бы регрессивный процесс в сравнении с катагенезом и тем более метагенезом — окисление, растворение, гидратация и др. процессы. Растворение сопровождается выносом веществ (выщелачивание), в результате этого увеличивается пористость, кавернозность осадочных пород — они становятся менее плотными. При гидратации, кроме того, часто происходит увеличение объема. Такие изменения осадочных горных пород в поверхностной зоне земной коры под влиянием различных факторов выветривания называется гипергенезом1. Термин «гипергенез» введен в геологическую терминологию академиком А.Е. Ферсманом в 1922 г. Под гипергенезом понимается  выветривание в широком смысле слова — комплекс физических, химических, биохимических процессов преобразования минералов и их ассоциаций (горных пород) на поверхности континентов, под влиянием различных факторов и условий географической среды. Важно подчеркнуть, что выветривание в данном контексте — это отнюдь не деятельность ветра. Гипергенез происходит под действием разнообразных факторов, тесно связанных друг с другом, т.е. действующих вместе и одновременно. Тем не менее, со значительной долей условности все эти факторы можно разделить на физические (механические), химические и биохимические.

Физические (механические) факторы приводят к так называемой дезинтеграции минералов и горных пород, т.е. механическому их измельчению (без изменения минералогического и химического состава): Важнейшую роль в этом процессе играет неодинаковое линейное и объемное расширение породообразующих минералов под влиянием температурных колебаний (суточных, сезонных и др.). В породах возникает сеть мельчайших трещин, в которые поступает вода, возникает капиллярное давление. В случае замерзания такой воды сказывается разрушительный эффект изменения объема образовавшегося льда, т.н. морозное выветривание. В результате первоначально массивный кристаллически-зернистый или зернистый агрегат данной породы теряет монолитность, разрушается, что приводит к образованию развалов (россыпей) остроугольных обломков различного размера, как на водоразделах, так и на склонах гор или у их подножия. Такие процессы очень типичны для полярных, пустынных и горных ландшафтов.

Химические факторы включают: 1) растворение минералов дождевыми, почвенными и грунтовыми водами; 2) гидролиз — разложение минералов с присоединением гидроксильных ионов [ОН]1-; 3) окисление минералов — присоединение кислорода и отделение водорода, а также повышение валентности входящих в структуру минерала ионов. Особенно активно процесс окисления идет в присутствии воды. В результате комплексного воздействия химических факторов происходит частичное или полное перерождение исходных минералов с образованием новых — с другим химическим составом и другой кристаллохимической структурой. Типичный пример — перерождение магнетита в лимонит:

Fe3О4 + H2О+О2 —> FeOOH —> FeOOH • nH2О.


Биохимические факторы — жизнедеятельность организмов, которые поглощают из минералов калий, натрий, кальций, фосфор и другие элементы, постепенно разрушая такие минералы. Выделяющиеся при этом кислород, углекислый газ, водород лишь ускоряют разложение исходных и образование новых минералов.

Таким образом, при гипергенезе происходит как разрушение первичных минералов, так и возникновение новых, часто более многочисленных, гипергенных минералов. Многие глинистые минералы, значительная часть сульфатов, карбонатов, фосфатов, окислов и гидроокислов железа, алюминия, марганца имеют гипергенное происхождение. Этот разрушительный и одновременно созидательный процесс, часто называемый выветриванием, приводит к формированию особых природных образований — кор выветривания. В обширной гамме гипергенных процессов намечается определенная стадийность, детально изученная академиком Б.Б. Полыновым: первая стадия — механическое разрушение; вторая — начальное химическое и биохимическое изменение (извлечение калия, кальция, натрия, т.е. гипергенный метасоматоз); третья — возникновение тонкодисперсных глинистых минералов; четвертая — разложение силикатов на окислы с обогащением коры выветривания окислами железа и алюминия. Эта схема — идеальная и весьма общая, конкретная стадийность может быть более сложной или более простой, в зависимости от частных условий гипергенного процесса.

На особенности кор выветривания влияют: 1) биоклиматические условия; 2) рельеф местности; 3) время (длительность) процессов.

Биоклиматические условия определяют тип выветривания: гумидный (влажный), аридный (сухой), нивальный (холодный). Гумидные ландшафты, со значительным атмосферным увлажнением и богатой лесной растительностью, характеризуются накоплением огромных масс отмирающего органического вещества, которые перерабатываются почвенными микроорганизмами в органические кислоты. В связи с этим почвенные воды имеют кислую реакцию и активно разрушают минералы подстилающих пород. Аридные ландшафты отличаются травянистой растительностью, общая биомасса которой в десятки раз меньше биомассы лесов. Почвенные воды здесь имеют обычно нейтральную или слабощелочную реакцию, поэтому процесс разложения происходит ме­нее активно, чем в гумидных зонах. В нивальных ландшафтах вообще преобладают физические (механические) факторы гипергенеза.

Рельеф определяет развитие двух типов кор. Автоморфная (элювиальная) кора образуется на месте, непосредственно за счет развитых здесь пород, например, на плоских водоразделах. Гидроморфная кора образуется в понижениях рельефа за счет сноса туда вещества истин­ными или коллоидными растворами. Связь между составами автоморфной и гидроморфной кор называют геохимическим сопряжением.

Время также является важным фактором формирования кор выветривания. В целом процесс формирования кор весьма длителен, он может растянуться на миллионы и даже десятки миллионов лет. За это время образуются коры различной мощности — от 1–2 м до 100–200 м. Гипергенный процесс по ряду причин может прерываться; погребенная реликтовая кора будет служить индикатором некогда существовавших физико-географических условий данного региона. Различают коры современные (формирующиеся в настоящее время) и древние (ископаемые) коры. Древние коры по составу делятся на главные типы.

1. Латеритная кора. Развивается в условиях тропиков на породах, обогащенных железом, титаном и алюминием. Важнейший фактор — окисление. Продукты этой коры обычно сложены окислами и гидроокислами указанных элементов и имеют кирпично-красный цвет.

2. Каолиновая кора. Формируется в условиях умеренного климата на породах гранитного состава, богатых калинатриевыми полевыми шпатами. Важнейший фактор — гидролиз. Кора сложена каолиновыми глинами с обломками неразложившихся полевых шпатов. Типичное замещение:

K[AlSi3O8] —> Al4[Si4О10][OH]8.


3. Гидрослюдисто-глинистая кора. Образуется в степной зоне умеренных широт, где осадков мало и гидролиз происходит слабо. Ха­ рактерный минерал — монтмориллонит (Al2,Mg3)[Si4O10][OH]2 • nН2О.

4. Обломочная кора. Формируется в пустынной зоне, горных областях и в тундре. В верхнем слое такой коры концентрируются пылеватые породы, ниже накапливаются пески, еще ниже — более крупные остроугольные обломки и так далее до почти неразрушенных коренных пород.

В самой верхней части любой коры выветривания, как древней, так и современной, в результате деятельности животных и растительных организмов располагаются почвы, т.е. слои (мощностью от нескольких сантиметров до 2–3 м), обогащенные органическими веществами и обладающие плодородием.

С корами выветривания связаны различные полезные ископаемые: глины, бокситы (богатые алюминием), железные руды (латериты) и др.

На поверхности Земли чрезвычайно развит процесс переотложения кор выветривания. Уже сформировавшиеся коры под воздействием различных факторов начинают разрушаться и вовлекаться в длительный процесс переноса и переотложения, вплоть до попадания в морские бассейны, где накапливаются морские осадки, переходящие затем в осадочные горные породы морского происхождения. В ходе переотложения часть материала остается на континентах, формируя различные генетические типы континентальных отложений.

Таким образом, история образования осадочных горных и их последующего изменения в условиях прогибания земной коры может быть выражена следующей схемой: седиментация или седиментогенез —› диагенез —› катагенез —› метагенез —› метаморфизм и образование метаморфических горных пород. Этот процесс может быть прерван в любой стадии тектоническими движениями и осадочные горные породы могут быть подняты к поверхности в зону гипергенеза (рис. 13.1).

Рис. 13.1.

Рис. 13.1. Стадии создания и преобразования осадочных горных пород


Материалы этого раздела отражают современную научную модель геологии. Если вы желаете самостоятельно обдумать все предложенные в этом разделе понятия геологии, настоятельно рекомендую ознакомиться с альтернативной точкой зрения на геологию и все естествознание в целом В.М. Дуничева (см. приложение 4), где материал, касающийся гипергенеза и диагенеза, можно найти в Интернете по этой гиперссылке [www.science.sakhalin.ru/Geography/DVM/2002/03.html].



Контрольные вопросы

1. Что такое литогенез?
2. Назовите стадии превращения осадка в осадочную горную породу.
3. В чем заключается принципиальное различие литогенеза от метаморфизма?
4. Охарактеризуйте процесс гипергенеза и его роль в преобразовании поверхности Земли.
5. Охарактеризуйте стадии гипергенных процессов.
6. Опишите процессы создания и преобразования осадка по рисунку 13.1.
7. Каково принципиальное различие между гипергенезом и эпигенезом?




 
© 2008–2011,   С.Н. Коваленко, кафедра географии ВСГАО. Все права защищены.