металла и раствор бикарбоната кальция (Са2+ + 2НСОз~). В ходе дальнейшей реакции в пределах тетраэдрической сетки могут разорваться связи, близкие к ковалентным. Тетраэдрическая сетка является особенно непрочной там, где алюминий заместил кремний, поскольку связь кислород—алюминий имеет скорее ионный характер. Продукт реакции, высвобождаемый в раствор — это

в) Кристалл анортита , Раствор г) Кристалл анортита \ Раствор

W Кислород — Связь

• Кремний Поверхность

а Алюминий кристалла

Рис. 3.5. Реакции выветривания на поверхности полевого шпата: a — разрушенные связи протонируются ионами Н+, диссоциирующими от угольной кислоты, и связанный ионной связью Са2+ высвобождается в раствор; б— протонированная решетка; в — дальнейший разрыв ионных связей вызывает полное протонирование концевого тетраэдра; г — концевой тетраэдр полностью переносится в раствор в виде H4S1O4.

HjSiO,, (см. рис. 3.5). Уравнение (3.18) количественно выражает реакцию для богатого натрием (Na) полевого шпата, альбита:

2NaAlSi30,(„) + 9Н20(Ж) + 2H2C03(MI„) -> М^ОбСОЩмщ +

+ 2NaJeoI) + 2HCOj"(№,, + 4На&Ю,Ыт). (3.18)

В заключение можно сказать, что доминирующим процессом выветривания в верхнем слое коры является кислотный гидро32 ГЛАВА 3

НАЗЕМНАЯ СРЕДА 93

лиз, в результате которого образуются частично разрушенный и гидратированный остаток и растворенные в воде кремниевая кислота и бикарбонат. Однако следует помнить, что ббльшая часть континентальных областей Земли перекрыта более молодыми осадочными породами, включая хорошо растворимые, например известняк. Известняки распространены в молодых горных поясах, таких, как Европейские Альпы и Гималаи, где скорости физического выветривания высоки. Отсюда возможно, что на самом деле реакции выветривания в среднем направлены более в сторону выветривания осадочного слоя, чем континентальной коры. Изучение процессов выветривания в Альпах, по-видимому, подтверждает это. Воды альпийских ручьев содержат мало растворенного натрия и H4Si04, но богаты кальцием и HCOj". Можно полагать, что растворение известняка, а не полевого шпата, является ведущей в локальном плане реакцией выветривания.

3.5. Контроль скоростей реакций выветривания

Как видно, окисление органического вещества почв является причиной кислотности природных вод, что способствует химическому выветриванию. Отсюда следует, что на скорость реакций

| выветривания влияет биосфера. К другим важным факторам

I относятся рельеф суши, климат — особенно осадки и темперага тура, состав воды, тип материнской породы и кинетика реакции

li отдельных минералов. Для ясности эти факторы обсуждаются

1 раздельно, хотя в природе они действуют совместно.

3.5.1. Температура и скорость течения воды

Нагрев ускоряет химические реакции, снабжая их энергией (вставка 3.7). Для большинства реакций повышение температуры на 10 °С вызывает по крайней мере удвоение их скорости. Отсюда следует, что скорость выветривания в тропиках, где средняя годовая температура составляет около 20 °С, будет примерно вдвое больше, чем в районах, где средняя годовая температура около 12 °С.

Влияние температуры взаимосвязано с доступностью влаги. Сухой воздух жарких аридных местообитаний является неэффективным агентом выветривания. Редкая растительность и, следовательно, недостаток органического вещества приводят к пониженной концентрации органических кислот. Тесному контакту между частицами породы и кислотами, кроме того, препятствует отсутствие воды. Кратковременные дожди способствуют проникновению солей с поверхности в почву, но общее преобладание испарения над осадками приводит к тому, что растворимые соли имеют тенденцию выпадать на поверхности почвы, образуя корочки гипса, карбоната и других эвапоритовых минералов.

В гумидном тропическом климате выветривание происходит быстро — частично из-за того, что высокие температуры ускоряют реакции, но в основном потому, что постоянные ливни делают возможным быстрое вымывание и снос даже наиболее нерастворимых соединений, например оксидов алюминия и железа. Смывом постоянно удаляются (выщелачиваются) растворимые компоненты, что особенно важно в не полностью насыщенной зоне почв.

3.5.2. Кинетика реакций минералов и насыщение растворов

В предыдущем обсуждении предполагалось, что скорость выветривания минералов пропорциональна скорости потока воды, но это правильно только в том случае, если воды близки к насыщению (вставка 3.8) относительно выветриваемого минерала. Если поток воды непрерывен и достаточно интенсивен, достигается предел, после которого дальнейшее увеличение потока больше не является контролирующим скорость фактором.

94 ГЛАВА 3

НАЗЕМНАЯ СРЕДА 95

ВСТАВКА 3.7. Химическая энергия

Наука об изменениях энергии называется термодинамикой. Например, при сгорании графита выделяется энергия:

Сгрпфит + 02(Г) -» СОг(г). (1)

Суммарная выделенная энергия или изменение энергии при переходе от реагентов к продуктам называется изменением свободной энергии Гиббса (ДО и измеряется в килоджоул