4.1.1. Хімічні аспекти гіпергенезу і ґрунтоутворення

Процес руйнування мінералів і гірських порід на поверхні Землі звичайно називають вивітрюванням, хоча вітер до цього майже ніякого відношення не має. Е. Ферсманом в 1922 р. запропоновано іншу назву цього процесу – гіпергенез. Воно побудоване із старогрецьких слів «гіпер» (над, поверх) і «генезис» (народження).

Нині під вивітрюванням, або гіпергенезом, розуміють суму процесів перетворення твердої речовини Земної кори на поверхні суходолу під впливом води, повітря, коливань температури і життєдіяльності організмів. Суть цих процесів полягає в перегруповуванні атомів і формуванні нових, стійких до умов земної поверхні сполук.

Розрізняють два типи вивітрювання: фізичне, або механічне, і хімічне.

Фізичне вивітрювання призводить до суто механічного подрібнення порід. Часті зміни температури, морозне вивітрювання з утворенням морозостійких тріщин і сольове трощення порід (виникнення тріщин під тиском кристалів солей, що утворюються) обумовлюють розпушування структури і розпад порід на мінеральні зерна.

Хімічне вивітрювання – це розпушування корінних порід під дією кисню повітря, діоксиду вуглецю, води, органічних кислот, що супроводжується зміною їх складу.

Часто виділяють ще й третій тип вивітрювання – біологічне (або органогенне). Цей процес повʼязаний або з фізичною дією (наприклад, тиском коренів рослин), або з хімічною (наприклад, дією органічних кислот, які виділяють корені рослин).

Залежно від кліматичної зони пори року і місцевих умов процеси вивітрювання різних типів перебігають з різною інтенсивністю.

Усі магматичні мінерали, що потрапляють на поверхню Землі, опиняються в нестійкому стані. Якнайменше стійкі силікати, структуру яких утворюють ізольовані кремнекисневі тетраедри, що з’єднуються катіонами заліза і магнію. З них найбільш стійкі силікати з одинарними ланцюжками кремнекисневих тетраедрів (піроксени), потім – з подвійними ланцюжками (рогові обманки), далі з листовими структурами (слюда). Залізомагнієві слюди (біотити) менш стійкі, ніж алюмінієві (мусковіти). Стійкість польових шпатів, що мають каркасну структуру, залежить від розміру катіона (Са²⁺, К⁺, Na⁺). Стійкість плагіоклазів поступово зростає при переході від кальцієвого представника до натрієвого. Найбільш стійкий мінерал – кварц, структура якого повністю складається з кремнекисневих тетраедрів. У цілому стійкість головних породоутворювальних мінералів магматичних порід зростає симбатно до послідовності їх кристалізації. У процесі гіпергенезу спостерігається значна зміна у структурах силікатних порід, утворюються глинисті мінерали. Так, наприклад, у процесі руйнування польового шпату (ортоклазу, K[AlSi₃O₈]) може утворюватись мінерал каолініт – основа звичайної глини:

K[AlSi₃O₈] + 4Н₂О + 2СО₂ → 2К₂СО₃ + 8SiO₂ + Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀].

Двошарова елементарна одиниця каолініту несиметрична: один шар складається з кремнекисневих тетраедрів, інший – із сполучення іонів ОН⁻ і А1³⁺. Кожний іон А1³⁺ пов’язаний з іонами ОН⁻ і двома атомами кисню. Координаційне число алюмінію в цій сполуці дорівнює 6. У каолініті одна поверхня молекулярного пакета утворена атомами кисню. Між пакетами утворюється досить міцний водневий зв’язок, тому каолініт не набрякає і його міжплощинна відстань стабільна.

В іншому поширеному глинистому мінералі –монтморіллоніті – плоскі пакети тришарові. Верхній шар, так само, як нижній, представлений шарами кремнекисневих тетраедрів, між якими містяться іони ОН⁻ і А1³⁺. Формула монтморіллоніту (Al₂Mg₃)(OH)₂[Si₄О₁₀^.nH₂О]. На відміну від каолініту, пакет монтморилоніту побудовано симетрично. Між шарами кисневих атомів не виникає водневого зв’язку. Взаємодія між пакетами слабка, і в міжпакетні площини легко проникає вода, викликаючи набухання, при цьому об’єм монтморилоніту збільшується в 1,5–2,5 рази.

Необхідно зазначити, що в монтморилоніті, так само, як і в каолініті, координаційне число алюмінію дорівнює 6. Водночас у найпоширеніших глибинних мінералах і гірських породах головна кількість іонів А1³⁺ оточена лише чотирма іонами кисню. Енергія зв’язку А1–О в оточенні чотирьох іонів кисню приблизно рівна 6700 кДж/моль. Зі збільшенням координаційного числа А1³⁺ до шести енергія зв’язку А1–О зростає до 7500 кДж/моль. Отже, глинисті мінерали є своєрідним акумулятором сонячної енергії – основного енергетичного джерела процесів гіпергенезу.

Процеси вивітрювання гірських порід відбуваються і відбувались на Землі до появи живих організмів. В той же час подальше перетворення гірських порід, пов’язане з утворенням ґрунтів, завжди відбувається тільки за безпосередньої участі живих організмів.

Ґрунтоутворенням називається складний природний процес переходу гірської породи в якісно новий стан. Цей процес перебігає при взаємодії мінеральної речовини земної кори з живими організмами та продуктами їх життєдіяльності. Така взаємодія в земних умовах відбувається за прямого й непрямого впливу інших чинників зовнішнього середовища. Рослинні співтовариства витягують із гірських («материнських») порід (далі – «з ґрунтів») поживні елементи, синтезуючи складні органічні сполуки – біомасу, і повертають ці сполуки в ґрунт у вигляді відмираючої та опалої на землю рослинної маси.

Одним із головних чинників, що відіграють велику роль у перетворенні цих органічних залишків, є дощові черв’яки, личинки численних комах і мікроорганізми. У процесі живлення вони подрібнюють рослинну масу, перемішують її, перемішуючи органічні і мінеральні речовини.

Живі організми, що перебувають у тісній взаємодії між собою та з мінеральною частиною гірських порід і ґрунтів, активно співпрацюють у малому біологічному кругообігу речовин. У результаті цього процесу у верхніх шарах, ґрунтоутворювальних породах і ґрунтах нагромаджуються біогенні елементи (азот, вуглець, фосфор, сірка та ін.), відбуваються утворення і подальший розвиток ґрунтів.

Приклад розв’язування задачі:

Радіус зони виснаження запасів фосфату навколо кореня рослини збільшується приблизно пропорційно кореню квадратному від часу: r = 0,32t^1/2, де t – час, діб. За цим рівнянням розраховуємо час, необхідний для розвитку зони виснаження радіусом 2 мм.

Розв’язання: Із формули, наведеної в умові задачі, відомо, що:

r = 0,32t²,

де 0,32 – це емпіричний коефіцієнт, мм/доб.^1/2,

тоді t = (2/0,32)² = 39(діб).

Відповідь: час, необхідний для розвитку зони виснаження радіусом 2 мм, становить 39 діб.