Zvětrávací procesy

Zvětrávací procesy probíhají na zemském povrchu nebo v jeho bezprostřední blízkosti. V závislosti na klimatických podmínkách může probíhat buď mechanické nebo chemické zvětrávání (zpravidla probíhají oba typy zvětrávání současně).

Při mechanickém zvětrávání dochází pouze k desintegraci hornin a k mechanickému rozmělňování nerostných zrn. Nové minerály tedy při mechanickém zvětrávání nevznikají. Při transportu produktů zvětrávání (nejčastěji vodou nebo větrem) se mohou chemicky i mechanicky relativně odolné minerály s vysokou hustotou (tzv. těžké minerály) lokálně nahromadit ve větším množství. Ložiska těžkých minerálů vytvořená naznačeným způsobem se označují zpravidla jako rýžoviska nebo rozsypová ložiska (rozsypy) - jde např. o ložiska magnetitu, ilmenitu, rutilu, monazitu, zirkonu, granátu, kassiteritu, diamantu nebo zlata.

Chemické zvětrávání má pro vznik minerálů zásadní význam. Při chemickém zvětrávání dochází k rozkladu primárních minerálů a k následnému vzniku nových nerostných asociací. Hlavními faktory chemického zvětrávání jsou H₂O, O₂, H₂CO₃, H₂SO₄, huminové, příp. i jiné kyseliny a také potřebné teplo. Chemické reakce při chemickém zvětrávání probíhají vesměs na rozhraní pevné a kapalné fáze. Z toho vyplývá mimořádně významná úlohy vody, která se účastní nejen většiny probíhajících chemických reakcí, ale vodou jsou některé produkty zvětrávání aktivovány a transportovány. Chybí-li cirkulující voda jako hlavní chemický činitel, může docházet pouze k mechanickému zvětrávání, jako je tomu např. v polárních oblastech. Naopak pro vlhké tropické klima je příznačný intenzívní chemický rozklad hornin (do hloubky až 200 m i více). Hlavními pochody probíhajícími při chemickém zvětrávání jsou rozpouštění, oxidace, hydrolýza a hydratace.

Nejdůležitějším pochodem probíhajícím při chemickém zvětrávání je reakce cirkulujících podzemních vod s minerály matečných hornin. Kapalná voda působí na minerály zvětrávajících hornin jednak hydratačně jako molekula s dipólovým momentem, jednak hydrolyticky v disociovaném stavu v podobě iontů H₃O⁺ a OH^-. Vzhledem k tomu, že hlavní minerály většiny běžných hornin patří mezi alumosilikáty, je v následujících odstavcích věnována pozornost působení H₂O na tuto skupinu minerálů.

Hydratace je vyvolávána přitahováním molekul vody elektrostatickými silami k povrchu minerálu, přičemž k nenasyceným kationtům jsou vodní dipóly přitahovány svou kyslíkovou sférou, zatímco k nenasyceným aniontům jsou vodní dipóly přitahovány svou vodíkovou sférou. Tímto způsobem molekuly vody postupně narušují stabilitu chemických vazeb mezi atomy při povrchu minerálu a především podél puklin probíhajících minerálem, do nichž voda snadno proniká vlivem kapilárních sil. V další fázi dochází v hydratovaných partiích ke vzniku vazeb mezi ionty kyslíku, které jsou součástí stuktury alumosilikátu, a ionty vodíku oddělenými od molekul vody. Vznikem těchto vazeb se oslabují vazby mezi kyslíkem a alkáliemi ve struktuře alumosilikátu. Tak začíná proces hydrolýzy, který vede až ke zhroucení struktur alumosilikátů za vzniku nových minerálů, jejichž charakter závisí na podmínkách, za nichž zvětrávání probíhá.

Při chemickém zvětrávání tedy dochází k rozpadu struktury minerálu, jenž je provázen uvolňováním některých složek. Mobilita zvětráváním uvolněných iontů velmi závisí na jejich mocenství. Kationty, které se nejčastěji vyskytují v horninotvorných silikátech a které se při jejich zvětrávání uvolňují, lze podle jejich iontových potenciálů rozdělit do dvou skupin. První skupinu tvoří jednomocné a dvojmocné kationty (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺); do druhé skupiny patří kationty s iontových potenciálem 3 a větším (Al³⁺, Fe³⁺, Ti⁴⁺, Si⁴⁺). Zatímco kationty první skupiny jsou ze zóny zvětrávání postupně vynášeny, jsou kationty druhé skupiny jen málo mobilní, migrují jen na relativně malou vzdálenost a koncentrují se v zóně zvětrávání v nově vznikajících pevných fázích.

Rozpustnost minerálů v průběhu chemického zvětrávání je silně ovlivňována hodnotou pH prostředí. Hodnota pH velmi výrazně ovlivňuje mobilitu kationtů náležejících do druhé skupiny. Např. k výraznějšímu odnosu křemíku ze zóny zvětrávání může docházet jen v alkalickém prostředí, neboť rozpustnost SiO₂ roste s rostoucí alkalitou roztoku. Pohyblivost železa je silně omezena za alkalických a oxidačních podmínek, neboť za těchto podmínek dochází k jeho vysrážení v podobě oxy-hydroxidů Fe. Hliník je nejméně pohyblivý v oblasti pH 5 až 8,5 (ve většině případů se pH prostředí pohybuje v uvedeném intervalu). Hydrolýzu silikátů výrazně urychluje přítomost CO₂ rozpuštěného ve vodě. Výsledky některých experimentů dokládají, že významným faktorem ovlivňujícím průběh zvětrávání je hydrodynamický režim. Například při zvětrávání albitu může vznikat v závislosti na rychlosti průtoku vody zvětrávacím profilem buď gibbsit nebo kaolinit. Při rychlém průtoku vody lze rozklad albitu v zóně zvětrávání vyjádřit rovnicí:

H⁺ + Na[AlSi₃O₈] + 7H₂O ===> Al(OH)₃ + Na⁺ + 3H₄SiO₄

Při pomalém průtoku vody je křemík během zvětrávání albitu odnášen jen v malém množství, a proto dochází ke vzniku kaolinitu, což schematicky vyjadřuje následující rovnice:

4H⁺ + 4Na[AlSi₃O₈] + 18H₂O ===> ===> Al₄[(OH)₈|Si₄O₁₀] + 4Na⁺ + 8H₄SiO₄

Z obdobných důvodů při zvětrávání K-živce v podmínkách humidního tropického nebo subtropického klimatu vznikají hydroxidy a oxy-hydroxidy Al (dochází k lateritizaci K-živce), zatímco v podmínkách mírného pásma vzniká zvětráváním K-živce kaolinit (probíhá zde kaolinizace K-živce). Průběh obou rozdílných procesů rozkladu K-živce by bylo možno schematicky vyjádřit rovnicemi, které jsou obdobou rovnic naznačujících průběh reakcí při zvětrávání albitu.

Minerály, které vznikají při zvětrávacích pochodech, patří svým chemickým složením především mezi vodnaté silikáty (např. kaolinit, halloysit, montmorillonit), mezi oxidy, hydratované oxidy a oxy-hydroxidy (např. opál a oxy-hydroxidy Fe nebo Al); směs oxy-hydroxidů Fe, která je označována jako limonit, je jedním z nejrozšířenějších a svou rezavě hnědou barvou jedním z nejnápadnějších produktů zvětrávání.

Působením CO₂ při chemickém zvětrávání může docházet ke karbonatizaci, která se projevuje vznikem karbonátů (kalcitu nebo magnezitu). Například vznik magnezitu při zvětrávání minerálů serpentinové skupiny lze jen velmi schematicky vyjádřit rovnicí:

Mg₆[(OH)₈|Si₄O₁₀] + 6CO₂ ===> 6MgCO₃ + 4SiO₂ + 4H₂O

Velmi jednoduše probíhá chemické zvětrávání karbonátových hornin (např. vápenců), které jsou snadno rozpouštěny vodou obsahující zvýšené množství CO₂. Rozpouštění vápenců lze vyjádřit rovnicí:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ===> Ca(HCO₃)₂

Zvláště intenzívnímu chemickému zvětrávání podléhají připovrchové partie ložisek sulfidických rud, neboť rozkladem sulfidů zde dochází ke vzniku kyseliny sírové a snadno rozpustných sulfátů. Tento typ zvětrávání je označován jako supergenní zvětrávání (supergeneze); připovrchová část ložiska, v níž dochází k supergennímu zvětrávání, se označuje jako supergenní zóna. Supergenní zóna se dělí na dvě části: její svrchní část se označuje jako oxidační zóna (odpovídá zóně aerace a sahá k hladině podzemní vody), spodní část supergenní zóny se označuje jako cementační zóna (je to trvale zvodnělá zóna, jejíž horní hranice se kryje s hladinou podzemní vody).

V oxidační zóně dochází k intenzívnímu rozkladu sulfidických rud a rozpustné produkty zvětrávání jsou z oxidační zóny vymývány srážkovými vodami a přenášeny do cementační zóny. Povaha druhotných minerálů vznikajících v oxidační zóně závisí na složení primárních rud a charakteru supergenních procesů. Např. železo pocházející z primárních sulfidů je v oxidační zóně vázáno převážně v podobě druhotných oxy-hydroxidů (limonitu) - na výchozu sulfidického ložiska se často tvoří akumulace limonitu, označovaná jako železný klobouk (gossan). Ke vzniku hydroxidů Fe při zvětrávání pyritu v podmínkách oxidační zóny může docházet např. podle rovnice

4FeS₂ + 15O₂ + 16H₂O + 2CO₂ ===> 4Fe(OH)₃ + 8H₂SO₄ + 2H₂CO₃

Někdy může rozklad pyritu v oxidační zóně vést nejprve ke tvorbě síranů Fe (např. FeSO₄), které se nakonec přemění na hydroxidy Fe. Tento postupný vznik hydroxidů Fe z pyritu vyjadřují následující rovnice:

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O ===> 2FeSO₄ + 2H₂SO₄

4FeSO₄ + O₂ + 10H₂O ===> 4Fe(OH)₃ + 4H₂SO₄

Zvětrávání chalkopyritu v oxidační zóně lze schematicky naznačit například rovnicí:

4CuFeS₂ + 17O₂ + 12H₂O + 2CO₂ ===> 4Fe(OH)₃ + 4CuSO₄ + 4H₂SO₄ + 2H₂CO₃

Železo uvolněné zvětráváním chalkopyritu se v podobě limonitu koncentruje v oxidační zóně. Část mědi uvolněné zvětráváním chalkopyritu se může uchovat v oxidační zóně v podobě bazických karbonátů (malachitu a azuritu), oxidů (např. kupritu), silikátů (chryzokolu), síranů (např. chalkantitu) nebo i v ryzí formě. Značná část uvolněné mědi je však v podobě velmi snadno rozpustného síranu měďnatého v roztocích transportována z oxidační zóny do cementační zóny.

Zinek uvolňující se při zvětrávání sfaleritu je v podobě ZnSO₄ vynášen z oxidační zóny, ale jeho určitá část může zůstat v oxidační zóně v podobě druhotných karbonátů (smithsonitu) nebo silikátů (hemimorfitu); olovo je naopak v oxidační zóně poměrně málo mobilní, a proto značná část olova může v oxidační zóně zůstat v podobě druhotných karbonátů (cerusitu), sulfátů (anglezitu) nebo fosfátů (pyromorfitu).

Značná část některých kovů vyloužených z oxidační zóny (např. Cu, Zn a Ag) je přenášena v podobě snadno rozpustných sulfátů do cementační zóny, kde dochází k jejich opětnému vysrážení a uložení v podobě sulfidů, v případě Ag a Cu také v elementární formě. (V cementační zóně tak například vznikají velmi bohaté akumulace stříbrných rud.)

Jak již bylo uvedeno, tvoří se rozkladem chalkopyritu v oxidační zóně síran měďnatý, jenž je snadno rozpustný ve vodě a je roztoky přenášen do cementační zóny. V cementační zóně pak dochází k chemickým reakcím mezi CuSO₄ a primárními sulfidickými rudami za vzniku sulfidů Cu. Například působením roztoku síranu měďnatého na pyrit vzniká chalkozín - probíhající reakci lze schematicky vyjádřit následující rovnicí:

5FeS₂ + 14CuSO₄ + 12H₂O ===> 7Cu₂S + 5FeSO₄ + 12H₂SO₄

Síran měďnatý může způsobit i nahrazení chalkopyritu covellínem v souladu s touto rovnicí:

CuFeS₂ + CuSO₄ ===> 2CuS + FeSO₄

Covellín se může v cementační zóně tvořit i na úkor sfaleritu, což vyjadřuje rovnice:

ZnS + CuSO₄ ===> CuS + ZnSO₄

Průběh reakcí mezi sírany přinášenými v roztocích a primárními sulfidy závisí na stupni afinity jejich kovů k síře. Síranové roztoky kovů, které mají vysokou afinitu k síře (jde např. o Ag a Cu), vytěsňují ze sulfidů kovy s relativně nízkou afinitou k síře (např. dochází k vytěsňování železa mědí.

další »»