 |
|
|
Полынов. КОРА ВЫВЕТРИВАНИЯ |
Природные формы водной окиси железа
|
Смотрите также:
Элювиальные коры выветривания...
Борис Борисович Полынов. Геохимия ...
Ряды миграции академика Б. Б. Полынова ...
Мейен - Из истории растительных династий
Биографии биологов, почвоведов
|
§ 33. Химический состав всякого соединения коллоидального синтеза, будут-ли это сложные коагели, или простые гели с поглощенными ионами или только с поглощенной водой, как п р а в и л о, не соответствует стехиометрическим отношениям.
Если мы вспомним, что в коллоидальных реакциях одним из слагаемых всегда является полимолекулярная мицелла, обладающая молекулами различного состояния и состава в зависимости от их положения или на поверхности или внутри мицеллы, то для нас это правило станет понятным. Станет понятным также, что при последующих внутренних превращениях геля (отвердение, дегидратация, кристаллизация) нельзя ожидать во всех случаях образования однородного простого кристаллического соединения, которое может дать только система состава, соответствующего стехиометрическим отношениям. При кристаллизации гелей в общем с л уча е мы неизбежно получим сложное тело—систему с количеством членов, соответствующим тому количеству состояний и составов молекул, какое имелось в геле непосредственно перед моментом кристаллизации его.
Прекрасным примером этому служат природные формы водной окиси железа, которые так еще недавно рассматривались как молекулярные гидраты.
Наиболее распространенными их представителями являются:
1) Лимонит в числе его многообразных представителей (бурый железняк, оолитовый бурый железняк, бурая стеклянная голова, стильпносидерит, бобовая руда, дерновая руда, озерная руда). Сюда же несовсем правильно относят ортштейн,1 Все эти формы рассматривались как разности совершенно определенного гидрата 2Fe308 - ЗНаО. 2) Гетит с его разностями (игольчатая руда из Пши- брама, рубиновая слюда из Рашау в Саксонии, лепидо- к р о к и т и др.), которым приписывают состав моногидрата Fe20aH20. Кроме этих, указывают на менее распространенные: 3) Ксантосидерит — наиболее богатый водой — Fea032H20, который рассматривается как аналог боксита.2 4) Гидрогетит — 3Fe203-4H20 и 5) Гидрогематит (турьит) с наименьшим содержанием воды — 2Fe203'H20.
Однако, обстоятельное исследование последнего времени с применением метода термического анализа8 дает основание полагать, что единственным реальным гидратом окиси железа с определенным молекулярным содержанием воды является моногидрат — Feo03-H20, которому должны соответствовать чистые разности гетита. Что же касается природных соединений водной окиси железа, то они представляют собой твердые растворы воды или в гематите — Fe203 (сюда относятся разности гидрогематита и турьита), или в моногидрате окиси железа (лимониты, бурые железняки, некоторые разности, причислявшиеся к гетиту, и др.). Само собой разумеется, что кроме того встречаются коллоиды (гели), еще не прошедшие стадии кристаллизации (бобовые руды). Процесс образования первой категории (гидрогематитов и турьитов) можно представить себе следующим образом. Имеется коллоид, мицеллы которого внутри слагаются из молекул Fe203, а поверхностные гидратированы.
При кристаллизации происходит дегидратация, и освободившаяся вода входит в раствор Fe203, приобретая характер интермолекулярной (цеолитной) воды. Во второй категории случаев (лимониты, бурые железняки) мицеллы исходного коллоида слагаются молекулами моногидрата, а поверхностные молекулы гидратированы в еще большей степени. Кристаллизация сопровождается дегидратацией только последних, и освободившаяся вода входит в раствор моногидрата окиси железа. Во всяком случае, самый факт превращения геля в твердый раствор является для нас черезвычайно важным, так как позволяет предугадать природу и других более сложных систем соединений, произведенных от сложных гелей с участием окиси железа.
Но если сложный гель предопределяет образование после его внутренних превращений и созревания столь же сложное образование типа твердых растворов, то в то же время ряд других его свойств предопределяет часто вполне определенный характер тех соединений, которые войдут в систему твердого раствора или другого сложного тела. Так, например, категория поверхностных молекул, поглотивших те или иные ионы из молекулярного раствора, несомненно должна дать начало стехиометрическому соединению, а так как из сложных природных растворов коллоидальным поглощающим комплексом могут одновременно поглощаться различные катионы или различные анионы, то, естественно, что в такой абсорбционной системе закладываются уже зародыши, будущей изоморфной смеси определенных соединений, и даже закономерности изоморфизма прямо, как увидим ниже, вытекают из свойств поглощаемых ионов и природы поглощающего комплекса.
Многое, однако, в этом таинственном процессе созревания гелей остается нам неизвестным. Так, например, для нас было бы особенно важно выяснить те моменты в природе сложного геля, которые предопределяют образование сложных радикалов и продуктов присоединения. Мы можем искать их или в явлениях абсорбции сложных „комплексных ионов, или в многообразных явлениях взаимной коагуляции, но пока зто будут лишь одни предположения.
Пока самым важным и самым ценным для нас материалом являются факты природных образований. Обратимся к ним. Мы можем считать установленным, что многообразные формы природной гидроокиси железа: лимониты, бурые железняки и пр. представляют собой различные фазы перехода геля Fe203nHa0 и Fe0(0H)nH20 в системы твердых растворов с преимущественным участием моногидрата окиси железа. Вполне'установленным также можно считать образование в пределах коры выветривания кристаллических форм FeS2 — вторичного пирита и марказита. Эти минералы, свойственные многим осадочным породам с органическими остатками, углистым сланцам, углям и часто, подобно вивианитам, непосредственно связанные с различными остатками организмов (кости позвоночных, раковины и т. п.) кристаллизуются, понятно, в среде восстановительных процессов.
Выходя из этой сферы, они вторично подвергаются выветриванию, как и первичные соединения сернистого железа (§ 31), причем особенно быстро окисляется и разрушается марказит. Исходным материалом для их образования является коллоидальная система, в которой принимают участие гидротроили т— FeS пН20 и, по всей вероятности, H2S, растворенный 'в асборбированной воде. Во всяком случае, анализы некоторых марказитов констататируют примеси сероводорода.
Аналогия между кремнежелезными и кремнеглиноземными аллофаноидами и широкое распространение смешанных кремнежелезоглиноземных форм позволяют и даже побуждают рассматривать все эти образования вместе, как одну широкую группу, объединенную многими общими чертами и состава и состояния и,- надо думать, дальнейших превращений.
В громадном большинстве случаев о дальнейших изменениях этих сложных гелей мы ничего не можем сказать. Недостаточное внимание, которое уделялось этим сложным образованиям со стороны минералогов, отсутствие достаточно разработанных методов изучения сложных коллоидальных тел и, наконец, то простое обстоятельство, что дальнейшие изменения могут протекать только в более глубоких частях литосферы и продукты их приходят вместе с метаморфическими породами в настолько измененном виде, что установить связь с первоисточником ие всегда возможно— вот ряд причин, объясняющих скудость наших сведений по этому вопросу. Но все же некоторым фактическим материалом мы располагаем и хотя бы для гипотетических обобщений он дает право. К этому материалу следует отнести сведения о своеобразных минералах, описанных под названиями: гимиит, девейлит и псевдодеве й- лит. Все это—типичные минеральные гели —абсорбционные соединения, и такая их природа ии у кого сомнений не вызывает.
Анализы, как и следовало ожидать, не позволяют с достаточной достоверностью дать формулу стехиометрического соединениями сделанные в этом отношении попытки следует признать неудачными. Эти анализы указывают, во всяком случае, на силикат магиия, как на основу коллоидальной системы. Но, кроме того, в ней содержится иекоторое количество полуторных окислов, кальция и закиси железа. Самым интересным для нас является указание отдельных исследователей(Вебский, Фогги) иа некоторые разности этих минералов, обнаруживающих явные признаки кристал изации. Установить, однако, окончательные формы кристаллического соединения не удается. Другой аналогичный случай мы находим в групппе вадозных минералов, известных под названием сапонитов.
Это аморфные плотные массы непостоянного состава, в котором главную роль играет также силикат магния,но с несомненной и иногда значительной примесью кремнеглиноземноже- лезного соединения, закиси железа и кальция. Их часто описывают как продукты превращения других магнезиальных силикатов и в особенности серпентинов. При этом руководствуются обычным признаком—пространственной связью месторождений с „первичным" материалом. Когда поиски первичного материала вблизи месторождения не удаются—тогда минерал объявляется во „вторичном" залегании. В действительности он всюду может образоваться одинаковым путем, т. е. путем коллоидального синтеза, причем близость месторождений других магнезиальных силикатов, понятно, межет играть крупную роль, но материал, который они доставляют, подвергается настолько радикальным изменениям, что говорить в этих случаях о новых минералах, как продуктах их превращения, едва ли правильно. Но интересным для нас фактом является нахождение среди сапонитов разностей с явными признаками кристаллизации (б о у л и н г и т ы).а Их состав приближает их, повидимому, к группе хлоритов.
Однако, значительно более знаменательными для нас фактами является образование в пределах коры выветривания минерала главконита и минералов группы палыгорскитов.
Главконит кристаллический феррисиликат калия. Его состав и строение позволяют его предположительно причислить к группам хлоритов. В его кислотном радикале к железу изоморфно примешан алюминий, а в основании к калию: Mg, Fe, Са. Он образуется в определенных областях подводно-морской части зоны выветривания, тде тончайший гель его осаждается на дне, образуя пленки и налеты и заполняя раковины морских животных. Его кристаллизация сопровождается изменением буро-желтой окраски в зеленую и может быть прослежена на микроскопических объектах5. Строго определенные облйсти его образования невольно наводят на мысль об условиях, способствующих выпадению кремнежелезных гелей определенного состава, абсорбирующих катионы и особенно калий. Возможно, что концентрация калия имеет место как раз у \ тех организмов, раковины которых заполняет гель. Впрочем, далеко не всегда калий преобладает над другими катионами; иногда магний и закись железа значительно преобладают над ним.2 В окончательной форме главконит представляет или мелкокристаллические зерна — часто ядра заполнения раковин глобигерин и пр. животных, или тонкий зеленый пигмент илистых осадков. Главконит — яркий пример кристаллизации сложных кремнежелезноглиноземных продуктов коллоидального синтеза с образованием кремне- железного ядра, типа, лежащего в основе алюмосиликатов IV группы (§ 25).
Палыгорскиты — вадозные водные, алюмосиликаты магния, в которых последний в небольших количествах замещается изоморфно Са, Fe, Мп и др. Исключение представляют некоторые кальциевые палыгорскитьг, у которых Са преобладает в основании. Аналогичные палыгорски- там феррисиликаты магния составляют особую подгруппу ксилотилов. По своему химическому строению они являются продуктами присоединения к ортосиликатному ядру: Н8 Mg2 Si3 012кремнеглиноземной группы: Н10 Al2 Si 01б, а у ксилотилов к тому же ядру группы: He Fe2 Sia 0J2. Они, таким образом, ближе всего стоят ко второй группе алюмосиликатов. Эти вадозные минералы при внешнем облике корок, пленок, тряпок и других характерных для коллоидов форм обнаруживают волокнистое кристаллическое строение.
Согласно заключению глубокого, специально посвященного им и другим близким к ним силикатам магния, исследования, палыгорскиты „образуются при нормальных условиях коры выветривания из холодных или нагретых водных растворов".8 Этот чрезвычайно важный для нас вывод указывает нам, что мы имеем дело не с остаточными продуктами выветривания, а с синтетическими — с результатами взаимодействия растворов. К этому необходимо еще прибавить, что помимо палыгорскитов и кси- лотилов, обнаруженных в определенных „месторождениях", т. е. больших скоплений этих минералов, они обнаружены также и в форме почвенных образований,1 что в настоящее время находит себе достаточно ясное и убедительное объяснение, которое мы изложим при обзоре соединений магния (§ 39). В данном же случае для нас важно, что и здесь мы имеем дело с кристаллизацией сложных кремне- глиноземиых продуктов коллоидального комплекса, но на этот раз уже с образованием алюмосиликатов типа, который характеризует их вторую группу. Формулируем те поучительные выводы, к которым приводит обзор превращений в коре выветривания соединений железа, алюминия и кремния.
1. Кристаллизация минеральных гелей во многих случаях совершается в пределах коры выветривания. 2. Этот процесс охватывает не только гели простых соединений, как гидроокиси кремния, алюминия и железа, но и сложных коллоидальных систем — природных продуктов абсорбционного синтеза — кремнеглиноземных и крем- нежелезных коагелей с поглощенными катионами. 3. Путем кристаллизации кремнеглиноземных гелей в коре выветривания закладываются основные черты химического строения некоторых определенных групп алюмосиликатов.
Таковы процессы подготовки уходящего из зоны выветривания материала для дальнейших его превращений в более глубоких оболочках земной коры
В чем заключаются эти дальнейшие превращения, какое отношение эти вадозные минералы имеют к хлоритовым или другим сланцам зоны метаморфизма — эти вопросы находятся уже вие области нашего обзора. Возвращаясь и вместе с тем заканчивая обзор цикла железных соединений в зоне выветривания, следует указать, что они дают яркий пример тех соотношений между коллоидами и кристаллоидами коры выветривания, на которые в свое время указывал покойный Корню. Прилагаемая таблица может служить иллюстрацией этих отношений (табл. 1). В первом вертикальном столбце этой таблицы помещены известные и наиболее вероятные формы тех „мутабильных" активных, преимущественно коллоидальных, соединений железа, которым принадлежит наиболее деятельная роль в его цикле. Горизонтальная черта в нижней части этого столбца между 7 и 8 формами определяет нижнюю область восстановительных процессов. Во втором столбце помещены соответствующие продукты кристаллизации. Сюда входят преимущественно экзотермические „обработанные" продукты — формы, в которых железо уходит из коры выветривания в более глубокие зоны. Только производные восстановительной среды, помещенные внизу, представляют более активные, способные к окислению, соединения (вивианит и пр.). Само собой разумеется, что многие возможные формы не вошли в таблицу, назначение которой лишь показать известные соотношения между двумя типами соединений коры выветривания.
|
|
|
|
К содержанию книги: Б.Б.Полынов - Кора выветривания
|
Последние добавления:
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы
Происхождение и эволюция растений
Биографии ботаников, биологов, медиков