Выветривание – это совокупность процессов разрушения горных пород и минералов в приповерхностном слое земной коры и на земной поверхности. В условиях земной поверхности горные породы и слагающие их минералы испытывают разрушающее воздействие колебаний температур, действия воды, кислорода, углекислоты, жизнедеятельности животных и растительных организмов. Различают физическое, химическое и биологическое выветривание, которые могут сопровождать друг друга при благоприятных к тому условиях при постоянном воздействии сил гравитации и электромагнитного поля Земли.
При физическом выветривании происходит только механическое разрушение горной породы, распадение ее на обломки и отдельные минералы (дезинтеграция) с дальнейшим раздроблением их и перетиранием при транспортировке к участкам их накопления – долинам рек, морским и озерным бассейнам.
При химическом выветривании изменяется химический состав горных пород и минералов, неустойчивых в условиях земной поверхности. Такому выветриванию подвержены особенно различные изверженные и метаморфические породы, а также осадочные, минералы которых представлены галоидными, карбонатными и сернокислыми соединениями. Здесь действуют процессы растворения, гидролиз, гидратация и дегидратация, окисление. Так, пирит (FeS2) под действием кислорода и воды превращается вначале в сульфат закиси железа с образованием свободной серной кислоты.
2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4
Сульфат закиси железа неустойчив и переходит в сульфат окиси железа:
4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O
Последний, гидролизуясь, образует гидроокись железа:
Fe2(SO4)3 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 3H2O
Гидроокись железа выпадает в виде геля, который дегидратизируясь, переходит в лимонит (Fe2O3◦nH2O) и другие окислы железа. Образующийся в этом случае лимонит может воспроизвести форму замещаемого кристалла пирита, возникает псевдоморфоза лимонита по пириту.
В природных условиях ангидрит CaSO4 может, присоединяя воду, переходить в гипс CaSO42◦H2O.
Гематит Fe3O3, присоединяя воду, переходит в лимонит.
Полевые шпаты, при воздействии на них воды и углекислоты, разлагаются, образуя каолинит и опал:
2K[AlSiO3O8] + nH2O + CO2 = Al2(OH)4[Si2O5] + K2CO3 + 4SiO2◦nH2O
Аналогично могут разлагаться в природных условиях и другие алюмосиликаты, причем особенно интенсивно разрушаются железо-магнезиальные силикаты – оливин, роговая обманка, авгит. При этом происходит переход связанного в них железа из закисного в окисное с образованием лимонита, выпадение опала, а также возникновение растворимых карбонатов и бикарбонатов кальция магния. В результате выветривания изверженных пород освобождается большое количество химических элементов, образующих различные минералы кор выветривания, речных, морских и озерных осадков: алюминий, барий, бор, железо, золото, калий, кальций, кремний, магний, марганец, медь, молибден, натрий, никель, ртуть, свинец, сера, сурьма и др.
При разрушении горных пород, переносе и частичном или полном растворении обломочного материала горных пород в континентальных условиях накапливаются продукты их разложения и выщелачивания и образуют покровы на неизмененных горных породах, так называемую кору выветривания. Мощность кор выветривания может достигать многих метров (до сотни и больше) и зависит от широты и высоты местности над уровнем моря, состава и строения пород, на которых она развивается, рельефа, тектонических условий и продолжительности процесса. Коры выветривания развиваются интенсивнее в тропических и хуже – в полярных странах. Особенно благоприятен для образования кор выветривания жаркий и влажный климат тропических стран.
Минеральный состав кор выветривания зависит от минералогического состава пород, по которым они развиваются, и климатических условий. Так, для умеренного климата характерно глинистое выветривание с образованием водных алюмосиликатов – каолинита и других глинистых минералов. Для влажного тропического климата характерны латериты – коры выветривания, образующие полуторные окислы алюминия и железа (Al2O3, Fe2O3), а кремнезем в виде золя выносится в более глубокие горизонты. Латериты, содержащие гидроокислы алюминия в промышленых размерах, называются бокситами. Железистые латериты являются рудо на железо.
В зависимости от возраста коры выветривания могут быть современными и древними.
Практический интерес представляют как отдельные участки самих кор выветривания, так и продукты их дифференциации – перемыва и переотложения. При транспортировке продуктов разрушения может происходить обособление полезных компонентов, содержащихся в коре выветривания (россыпные месторождения).
С корами выветривания связаны (пространственно или генетически) месторождения алюминия, железа, никеля, марганца и других полезных ископаемых.
В случае выхода на поверхность месторождений полезных ископаемых они, как и породы, подвергаясь постоянному воздействию атмосферных и органических агентов, будут претерпевать механическое и химическое выветривание. На обнажающихся частях месторождений, содержащих окисляющиеся минералы, образуются так называемые железные шпаты, с большой ролью в их составе водных гидроокислов железа.
Особенно часто железные шляпы образуются на обнажающихся участках сульфидных месторождений. Возникающие при этом минералы частью остаются на месте, частью уносятся растворами в более глубокие участки месторождения и за его пределы. В зоне окисления сульфидных месторождений происходят разнообразные химические процессы, в результате которых отсюда может быть полностью удалена сера и большинство тяжелых минералов. На месте остаются лишь различные формы кремнезема, окислы и гидроокислы железа, марганца и алюмокремневые соединения.
Окисление халькопирита CuFeS2 идет по следующей схеме:
CuFeS2 + 4O2 = CuSO4 + FeSO4
Сульфат закиси железа в зоне окисления превращается в лимонит, а легкорастворимый сульфат меди уносится в более глубокие участки месторождений.
В зонах окисления медных сульфидных месторождений, особенно если они залегают в известняках или содержат много карбонатов, могут образовываться минералы малахит и азурит. Реакции идет по схеме:
2CuSO4 + 2Ca[HCO3]2 + H2O = Cu2(OH)2[CO3] + Ca[SO4]2H2O + 3CO2
Ряд минералов (кварц, магнетит, корунд, циркон, золото, платина и др.) не претерпевают химического разложения и при разрушении породы или месторождения полезного ископаемого освобождаются от связей с другими минералами, накапливаются и образуют россыпные месторождения полезных ископаемых (элювиальные, аллювиальные, озерные и морские россыпи).