|
В главе 1 мы рассмотрели превращение глубинного силикатного расплава-раствора в твердое кристаллическое вещество земной коры. Атомы, слагающие это вещество, организованы в трехмерные кристаллические структуры, основанные на ионно-ковалентной связи. На поверхности суши совершается другой планетарный процесс превращения — преобразование трехмерных кристаллических силикатов в почти двухмерные плоские структуры.
Восемь главных химических элементов образуют глубинное кристаллическое вещество земной коры. Как складывается судьба этих элементов в процессе выветривания? Здесь еще очень много неясного, но совершенно очевидна общая геохимическая направленность этого процесса. Она заключается в извлечении катионов с большим радиусом из структур глубинных силикатов, в полной перестройке этих структур с образованием нового типа связи.
Так как выветривание минералов сводится к химическим превращениям, то с начала прошлого века их пытались объяснить законами неорганической химии. Согласно этим законам химическое превращение происходит по схеме.
Твердое тело растворение реакция в растворе с образованием нерастворимого соединения осадок нового твердого тела.
Например, выветривание полевых шпатов объясняли следующим образом. Под воздействием воды и оксида углерода (IV) исходный минерал растворяется, одни элементы входят в состав нерастворимого осадка, другие в растворенном состоянии уносятся водой. Предполагали, что преобразование силикатов на поверхности Земли исчерпывающе полно можно описать уравнением.
В действительности все значительно сложнее. Необычность реакции выветривания силикатов сразу обращает на себя внимание тем, что новый минерал не просто выпадает в осадок, он замещает исходный, глубинный силикат, полностью повторяя его форму. Если мы посмотрим на гранит, который миллионы лет подвергался выветриванию, то есть чему удивиться. Строение породы сохранилось до мельчайших деталей. Видны очертания кристаллов полевого шпата, слюды и некоторых других бывших минералов. Да, бывших, потому что их давно нет; они преобразованы в мельчайшие чешуйки глины. Следовательно, реакции гипергенного преобразования идут при строгом сохранении объема и формы исходных минералов.
Проведем несложный опыт: опустим прозрачный кристалл мирабилита (кристаллогидрата сульфата натрия) в стакан с раствором хлорида кальция. Мирабилит легко растворяется в воде, поэтому сразу же начинается реакция обмена с выделением белого осадка сульфата кальция:
NaaSO« + CaCI, CaS04 + 2NaCl.
Осадок вовсе не принимает форму исходного кристалла мирабилита, а равномерно оседает на дно стакана. При выветривании глубинных силикатов ничего похожего не происходит. Под микроскопом хорошо видно, как глинистые минералы так тщательно замещают исходный, что даже сохраняется положение мельчайших включений. Перед нами очередная геохимическая загадка. Необходимым условием этой реакции является вода, но она не растворяет исходный силикат. Ясно видно, что один минерал разрушается, а на его месте возникает новый, но оба минерала при этом находятся в твердом состоянии.
В сложном процессе преобразования силикатов важную роль играет водород. Строение атома этого элемента наиболее простое и характеризуется присутствием всего одного электрона. Водород — энергичный восстановитель. Его атом легко отдает свой электрон. Положительно заряженный ион водорода — протон несравнимо меньше ионов всех остальных химических элементов. Это позволяет ему внедряться в структуру глубинных силикатов и способствовать их преобразованию. Выдающийся ученый XX в. В. И. Вернадский, имя которого нам еще не раз придется вспомнить, писал в 20-х годах: «Если бы мы имели возможность изучить... химию Земли, значение водорода выявилось бы нам иначе, чем оно представляется в данный момент».
Интересная теория преобразования кристаллического вещества земной коры на поверхности суши разработана Е. Г. Кукоеским. По мнению этого ученого, при выветривании не происходит общего разрушения глубинных силикатов, а из их структур выносятся катионы с большим радиусом. Диффузия катионов начинается в результате того, что на границе контакта глубинного силиката и воды возникает перепад концентрации: в воде мало катионов, но есть протоны, а в минерале много катионов. Катионы уходят в воду и затем с ней выносятся. Потеря заряда при уходе катиона компенсируется внедряющимися в структуру протонами, которые связываются с ионами кислорода.
|