чение, которое устанавливается при равновесии с атмосферным С02 (см. вставку 2.12)1 до 4—5. Это является упрощение*, поскольку

88 ГЛАВА 3

НАЗЕМНАЯ СРЕДА 89

органическое вещество почв (гумус) не всегда полностью разлагается до С02. Однако продукты частичного разрушения обладают карбоксильными (СООН) и фенольными ( Tgr™1) группами, которые при диссоциации дают ионы Н+:

RCOOH(Ta) -> RCOO-ад,, + Н^), (3.13)

X)^"®"+HU (3.14)

где R означает большую органическую структурную единицу. Кислотность, накапливаемая при разложении органического вещества, используется при разрушении большинства силикатов в процессе кислотного гидролиза.

3.4.3. Кислотный гидролиз

Континентальные воды содержат растворимые формы, которые

придают им кислотность. Источники кислотности различны —

это и диссоциации атмосферного СО2 в дождевой воде, и частично диссоциация почвенного С02 (п. 3.4.2.) с образованием

Н2СОэ, диссоциация природного и антропогенного диоксида

серы (S02) с образованием H2S03 и H2S04 (см. вставки 2.12 и

2.13). Реакцию между минералом и кислыми агентами выветривания обычно называют кислотным гидролизом. Выветривание

СаСОз демонстрирует следующая принципиальная реакция:

СаСО„1я) + H2C03(WH) «-> Cafcn,,) + 2НСОз(вд11,. (3.15)

Ионная связь Са-СОэ в кристалле кальцита разрывается и свободные ионы СОз~ притягивают от Н2С03 достаточно ионов Н+, чтобы образовался стабильный ион бикарбоната НСОз". Отметим, что вторая молекула НСОГ, образующаяся по уравнению (3.15), не участвует в реакции, когда Н+ перемещается от Н2С03. Бикарбонат — очень слабая кислота, поскольку она слабо диссоциирует на Н+ и С032", и ее диссоциации недостаточно, чтобы реагировать с карбонатом. В общем в результате реакции нейтрализуется кислота, содержащаяся в воде. Процесс зависит от количества доступного С02: избыток С02 вызывает образование большего количества Н2С03 [см. (3.15)], которая растворяет СаСОз (прямая реакция); и наоборот, недостаток С02 стимулирует обратную реакцию и осаждение СаС03. Образующиеся в пещерах сталактиты и сталагмиты являются примером осаждения СаСОз, вызванного дегазацией С02 из грунтовых вод. Этот отклик на изменение количества С02 — наглядный пример принципа Ле-Шателье (см. вставку 2.4).

Кислотный гидролиз простого силиката, например богатого магнием оливина, форстерита, можно обобщить следующим образом:

Mg2Si04(„, + 4Н2СОз(вми) -» 2Mg?™> + 4HCOJ(MB, + H4Si04(„IH).

(3.16)

Отметим, что при диссоциации Н2СО] образуется ионизированный НСОз", немного более сильная кислота, чем нейтральная молекула (H4Si04), образующаяся при разложении силиката.

Совокупные процессы растворения С02 в почвенных водах (3.11), последующей диссоциации Н2СОз (3.12) и образования НСОз" в результате кислотного гидролиза при выветривании (3.15) и (3.16) приводят к тому, что поверхностные воды имеют нейтральную реакцию и преобладающим ионом является НС03".

3.4.4. Выветривание сложных силикатов

До сих пор мы рассматривали выветривание мономерных силикатов (например, оливина), которые полностью растворяются (конгруэнтное растворение). Это упрощало химические реакции. Однако присутствие измененных в процессе выветривания минеральных остатков предполагает, что более распространено неполное растворение. Породы верхнего слоя земной коры имеют средний состав, близкий к гранодиориту (табл. 3.4). Эта порода состоит из каркасных силикатов, полевых шпатов серии плагиоклазов, калиевых полевых шпатов и кварца (табл. 3.4), причем плагиоклазы преобладают. Таким образом, упрощенная реакция выветривания для плагиоклаза должна лучше описывать усредненный процесс химического выветривания. Это можно проиллюстрировать на примере богатого кальцием (Са) плагиоклаза анортита:

CaAbSbO,,,,, + 2Н2СОз(вод!) + Н2Ом -> Са%,т) +

+ гНСО^МШ) + Al2Si2Os(OH)4(T,). (3.17)

Твердым продуктом реакции является каолинит [Al2Si205(OH)4], важный представитель серпентин-каолиновой группы глинистых минералов (п. 3.6.3). Приведенная реакция описывает инконгруэнтное растворение полевого шпата, т. е. растворение с переосаждением некоторых соединений из выветриваемого минерала in situ.

90 ГЛАВА 3

НАЗЕМНАЯ СРЕДА 91

а) кристалл анортита \ Раствор бЛСристалл анортита ^ Раствор

На схематичном изображении реакции химического выветривания анортита (рис. 3.5) показан край кристалла анортита, находящийся в контакте с Н2СО3 из раствора, являющегося агентом выветривания. Природные поверхности кристаллов имеют участки с избытком электрического заряда, что вызвано дефектами кристаллической решетки (ряды атомов, немного смещенные со своих позиций) или ее повреждениями (разрыв связей). Области с избыточным зарядом преимущественно атакуются почвенными кислотами, в результате чего возникают выемки на поверхности минерала (рис. 3.6). Водородные ионы, образующиеся при диссоциации Н2СО3, гидратируют поверхность силиката. Ионные связи между Са2+ и тетраэдрами S1O4 легко разрываются, высвобождая Са2+ в раствор. В результате образуются гидратированный силикат с дефицитом