Выветривание представляет собой совокупность физико-химических и биогеохимических процессов, приводящих к разрушению и химическому изменению горных пород и минералов под воздействием факторов внешней среды. Эти процессы играют фундаментальную роль в круговороте элементов, формировании почв, осадочных пород и биосферы в целом. Геохимический аспект выветривания заключается в перераспределении, мобилизации и фиксации химических элементов, что определяет состав земной коры и гидросферы.
1. Физическое (механическое) выветривание. Происходит под действием температурных колебаний, давления, замерзания воды, кристаллизации солей и других факторов, вызывающих разрушение породы без изменения её химического состава. Основное значение физического выветривания в геохимии заключается в увеличении площади поверхности минералов, что резко ускоряет химические реакции и, следовательно, переход элементов в раствор или вторичные фазы.
2. Химическое выветривание. Осуществляется в результате взаимодействия минералов с атмосферными и гидросферными агентами — водой, углекислым газом, кислородом, органическими кислотами. Главные реакции включают гидролиз, окисление, растворение, карбонизацию, серизацию и другие процессы, в ходе которых изменяется минералогический и элементный состав пород.
3. Биохимическое выветривание. Возникает под влиянием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Микроорганизмы, растения и лишайники выделяют кислоты, ферменты и хелатирующие соединения, способствующие растворению минералов и мобилизации элементов. Биохимическое выветривание связывает геохимические потоки литосферы с биосферой, обеспечивая биодоступность элементов питания.
Гидролиз — наиболее распространённая реакция, при которой силикатные минералы реагируют с водой, образуя глинистые минералы и растворённые ионы. Например, разложение полевого шпата:
[ 2KAlSi_3O_8 + 11H_2O + 2CO_2 → Al_2Si_2O_5(OH)_4 + 4H_4SiO_4 + 2K^+ + 2HCO_3^-]
Окисление и восстановление — важные процессы для элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S). При окислении железа из Fe²⁺ в Fe³⁺ образуются гидрооксиды железа (гётит, лимонит), изменяющие цвет и состав породы.
Растворение — переход легкорастворимых минералов (карбонатов, гипса, галогенидов) в водные растворы. Процесс сопровождается формированием ионных потоков и обогащением вод растворёнными веществами.
Карбонизация — взаимодействие минералов с углекислотой и водой, приводящее к образованию бикарбонатов и последующему выносу катионов.
Силикатизация и десиликатизация — противоположные процессы, регулирующие содержание кремнезёма в зоне выветривания и в растворах.
В ходе выветривания формируется профиль выветривания, характеризующийся вертикальной зональностью по составу и степени изменения пород. Выделяются:
Эта зональность отражает миграционные способности элементов, их устойчивость и геохимическую специализацию.
Миграция элементов определяется их ионным потенциалом (z/r), степенью гидратации и устойчивостью комплексов в растворе. Элементы с низким ионным потенциалом (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) легко вымываются, тогда как элементы с высоким потенциалом (Fe³⁺, Al³⁺, Ti⁴⁺, Nb⁵⁺) концентрируются в остаточных продуктах.
Элементы можно классифицировать по поведению в зоне выветривания:
Важную роль играет pH среды: при кислых условиях увеличивается растворимость металлов, при щелочных — осаждение гидроксидов.
Вторичные продукты выветривания образуют специфические ассоциации, отражающие геохимические условия среды. Основные типы вторичных минералов:
Эти минералы формируют коры выветривания, латериты, бокситы и каолиновые залежи, играющие роль источников стратегических элементов.
Выветривание определяет состав речных и океанических вод, контролирует потоки элементов между литосферой и гидросферой. Средний химический сток суши в океан характеризуется преобладанием ионов Ca²⁺, Na⁺, HCO₃⁻ и SiO₂. Скорость выветривания зависит от климата, минералогического состава, рельефа и биоты. В тропических областях процессы интенсифицируются за счёт высокой температуры и влажности, тогда как в аридных зонах преобладает физическое разрушение.
Геохимический анализ продуктов выветривания позволяет оценить массовый баланс элементов и степень их удаления или накопления. Сравнение состава исходных пород и профилей выветривания выявляет тенденции к концентрации железа, алюминия и титана и обеднению по щелочным и щёлочноземельным металлам.
Выветривание — ключевой механизм регуляции углеродного цикла. Поглощение CO₂ при химическом разложении силикатов снижает концентрацию углекислого газа в атмосфере и оказывает долговременное влияние на климат Земли. Одновременно процесс обеспечивает поступление растворённых ионов в океан, что способствует осадкообразованию и биопродуктивности.
В эволюции земной коры выветривание играет роль в перераспределении элементов, образовании осадочных и метасоматических руд, стабилизации химического состава гидросферы и атмосферы. Геохимическое равновесие между выветриванием, осадконакоплением и вулканизмом определяет динамическое состояние планетарной системы.