Лекция 10

Под гипергенезом понимают физическое и химическое преобразование горных пород и минералов, происходящие на поверхности Земли и в ее приповерхностной зоне. Эта стадия в осадочных породах протекает иначе, чем в магматических и метаморфических, что определяется различиями минерального состава, строения и физических свойств пород.

Стадия гипергенеза.

Лекция 10.

Мощность зоны гипергенеза определяется глубиной проникновения грунтовых вод (хотя бы минимального), которая зависит от состава и свойств пород, рельефа местности, структурных и климатических условий. Она колеблется от единиц до десятков метров, а иногда и сотни метров.

Гипергенез протекает в термобарических условиях близких к условиям земной поверхности. В зависимости от сочетания действующих факторов гипергенез может иметь различную направленность. Даже в сходных условиях продукты гипергенных реакций не будут одинаковыми, если различается литологический состав пород. Для осадочных пород будут типичными процессы гидратации, гидролиза, окисления, восстановления, катионного обмена и растворения. Охарактеризуем их.

Гидратация – процесс присоединения воды к химическому соединению в результате вхождения ее в кристаллическую решетку или адсорбции поверхностью частиц. Гидратация часто происходит одновременно с процессами окисления, карбонатизации и т.д. При гидратации окисных соединений железа, например, гематита, образуется лимонит:

Fe₂O₃ + nH₂O = Fe₂O₃*nH₂O.

При гидратации ангидрита образуется гипс:

CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄*2H₂O.

В результате этого процесса происходит существенное увеличение объема соединений. Например, при переходе ангидрита в гипс, объем увеличивается примерно на 30%.

Гидролиз – реакция взаимодействия вещества с водой в зоне гипергенеза. При этом, вещество под действием воды расщепляется на более простые соединения, которые взаимодействуют с составными частями воды (ОН^- и Н⁺). Реакция гидролиза характерна для силикатов, алюмосиликатов и ряда других минералов. Например, в результате гидролиза ортоклаза или микроклина образуются гидрат окиси калия, кремнезем и каолинит:

4KАlSi₃O₈ + 6H₂O = 4KOH = 8SiO₂ = Al(Si₄O₁₀)(OH)₈.

При гидролизе ионы ОН^- образуют со щелочными и щелочноземельными металлами легко подвижные соединения, которые выносятся из пород. Глинистые, алюминистые, железистые окисные минералы, образовавшиеся при гидролизе, труднорастворимы (каолинит, диаспор, гидраргиллит, лимонит и др.). Они выносятся в виде взвесей водой или ветром, или остаются на месте.

Окисление – заключается в потере электронов атомами или ионами окисляющегося вещества. При этом элементы с переменной валентностью переходят в состояние с более высокой валентностью:

Fe²⁺ = Fe^{3 +} + e.

Процессы окисления глубоко затрагивают органические вещества – нефть, битумоиды, рассеянное органическое вещество, угли. Конечный результат реакции углекислота (С + О₂ = СО₂) и нередко, вода, при этом выделяется значительное количество тепла.

Процессы окисления сопровождаются изменением окраски пород. При окислении органического вещества породы осветляются, железистые соединения приобретают бурую или желтую окраску различных оттенков.

Восстановление – процесс, по своей природе противоположный окислению. Он проявляется понижением валентности катионов и, обычно, потерей кислорода восстанавливаемыми веществами. Восстановительная среда возникает в результате разложения органического вещества, жизнедеятельности организмов при застойном режиме грунтовых вод или же при окислении просачивающейся к поверхности нефти. Энергичными восстановителями являются углеводород, водород и сероводород. Восстановительные реакции нередко сопровождаются образованием различных сульфидов и карбонатов. Реакция восстановления протекает следующим образом:

2Fe₂O₃ + nH₂O + C = 4FeO + CO₂ + nH₂O

FeO + CO₂ = FeCO₃.

Катионный обмен – заключается в изменении состава минералов без изменения их структуры. Это происходит за счет замещения одних компонентов, не прочно удерживающихся в кристаллической решетке, другими. Основные обменные катионы: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, H⁺. В результате обмена одни катионы накапливаются в твердой фазе, другие переходят в раствор. Считают, что именно с этим процессом связано накопление калия в осадке, и вынос натрия и магния в океан. Очень характерен катионный обмен для глинистых минералов – монтмориллонита, гидрослюды и др.

Растворение – процесс весьма распространенный. Главный растворитель – вода. Растворимость природных соединений колеблется в широких пределах – от единиц мг до десятков грамм в 100гр воды. Она определяется для каждого конкретного минерала термобарическими условиями и качеством растворителя (pH, Eh, минерализация, солевой состав и т.д.) Для большинства природных соединений растворимость повышается с возрастанием температуры.

Большое влияние на растворимость минералов оказывает рН среды. Карбонаты, полевые шпаты и плагиоклазы энергично растворяются в кислых водах. Растворению кремнезема благоприятствуют высоко щелочные воды. Присутствие в воде растворимых солей, тоже вызывает изменение растворимости минералов. Если соединение не содержит элементов тождественным находящимся в растворе ионам, то растворимость данного соединения повышается и наоборот. В пресных водах высока растворимость галоидов, нитратов, ниже – сульфатов, карбонатов и фосфатов.

Процесс растворения сопровождается выносом продуктов растворения из породы, образованием пор, каверн, полостей, карстовых воронок, пещер. Это приводит к возрастанию емкости пород к флюидам, понижению прочности и устойчивости пород к механическим нагрузкам.

Конечный результат гипергенных процессов может быть различным.

Первый вариант – находясь на поверхности породы, полностью разрушаются, а продукты, возникшие при этом, служат материалом для образования новых осадочных пород.

Второй вариант – порода разрушилась не полностью, но начались нисходящие движения, в результате чего осадочные образования, подвергшись гипергенезу, будут погребены под новыми осадками. В них в значительной мере, даже при погружении на глубину сохраняются высокие пористость и проницаемость. Эта особенность характерна, прежде всего, для известняков и доломитов, а также песчаников с карбонатным цементом.

Дата добавления: 2013-12-13