PROCESE CHIMICE DE LA SUPRAFATA SCOARTEI TERESTRE SEDIMENTARE

PROCESE CHIMICE DE LA SUPRAFATA SCOARTEI TERESTRE SEDIMENTARE

La suprafata scoartei terestre sedimentare, mediul acvatic poate avea si un caracter chimic. Atat apele continentale cat si cele lagunare sau marine reprezinta solutii naturale, cu un caracter electrolitic sau coloidal, in care elementele chimice (Na, K, Ca, Mg, Sr, CO₂, SO₄, NO₃ etc.), isi ating pragul de saturatie si precipita sub forma de saruri si hidroxizi.

Ordinea de precipitare a sarurilor, in astfel de conditii, este invers proportionala cu ordinea lor de solubilizare: oxizi de fier, mangan, siliciu, fosfati, carbonati, sulfati (gips, anhidrit), halit, kainit, carnalit-silvina, bischofit (fig. E).

Constituentii au caracter autigen (adica acolo se formeaza), iar depozitele masive, astfel acumulate, constituie roci de precipitatie chimica. Prin termenul de evaporite se definesc acumularile formate in bazine lagunar-evaporitice, in care concentrarea de saruri si precipitarea substantelor s-a produs sub controlul temperaturii si in urma evaporarii apei din bazin.

Produsele sedimentare de natura chimica se pot recunoaste dupa urmatoarele caractere:

compozitia mineralogica omogena si specifica;

aspectele reniforme, mamelonare, rubanate ale separatiilor coloidale si cristalinitatea produselor separate din solutii reale;

laminatia specifica si stratificatia paralela si asocierea lor cu alte depozite lagunare sau marine;

lipsa, de cele mai multe ori, a resturilor de organisme.

Apele naturale - alaturi de rolul lor dominant in dinamica materialului sedimentar - au si o actiune chimica constanta. Apa joaca un rol foarte important ca solvent. Procesele chimice se desfasoara la nivelul constituentilor minerali ai rocilor si determina transformarea profunda a acestora. In prezenta apei, echilibrele minerale preexistente se modifica rezultand minerale noi, stabile in conditiile de suprafata. In felul acesta se poate vorbi de doua procese chimice fundamentale:

1. alterarea rocilor;

2. - formarea de produse sedimentare prin precipitare din solutii naturale.

Procesele sunt controlate de factorii chimici si termodinamici.

Factori chimici

Proprietatile apei pure sau a celei care cuprinde in solutii diverse substante, sunt determinate de concentratia ionilor de H pH) care determina caracterul acid, iar OH ^- determina caracterul alcalin, potentialul de oxido-reducere (Eh). La acestea se mai adauga continutul in gaze (O₂, CO₂, H₂S).

Asa cum am subliniat mai sus, aciditatea sau alcalinitatea apei se exprima prin concentratia ionilor de H⁺ si OH ^-. pH-ul unei solutii reprezinta logaritmul cu semn schimbat al concentratiei ionilor de H⁺ si capata valori intre 0 - 14. Mediul acid este repezentat prin valori intre 0 si 7, iar cel alcalin intre 7 si 14. Cel mai usor solubili sunt ionii monovalenti (Na, K) si bivalenti (Ca, Mg), care prin dizolvare maresc alcalinitatea apelor. pH-ul apei controleaza capacitatea de solubilizare a diverselor substante si, in general, agresivitatea apei fata de acestea. Ionii cu raze ionice mici: Al ³⁺, O⁴⁺, N⁵⁺,P⁵⁺, S⁶⁺ polarizeaza oxigenul si formeaza anioni complecsi de genul: CO₃ ^2-, NO₃^1- , PO ₄^3-, SO₄^2-. Cu astfel de anioni, solutiile capata un caracter acid.

Eh-ul reprezinta capacitatea apelor de oxidare sau reducere a elementelor cu care vin in contact si poarta numele de potential redox. El este foarte important in special datorita existentei O₂ dizolvat. Eh-ul controleaza si el capacitatea de solubilizare a diverselor substante, dar, mai ales, fixeaza natura si sensul reactiilor chimice. In mediile oxidante sunt stabili oxizii, hidroxizii si unele saruri oxigenate, iar substanta organica este distrusa. In mediile reducatoare se formeaza carbonatii de Fe, sulfuri etc. si se pastreaza substanta organica.

Alte gaze :

CO₂ - este foarte solubil in apa, dandu-i un usor caracter acid si determina carbonatari. Solubilitatea lui (concentratia lui) creste cu adancimea si temperatura. El este factorul de precipitare a carbonatilor si fosfatilor.

H₂S - este dizolvat in apele din bazinele cu circulatie restrictiva (bazinele euxinice, cum ar fi Marea Neagra). El imprima mediului un puternic caracter reducator. Se depun sulfuri si materia organica este stabila.

4.4.1.1. Precipitarea substantelor minerale solubilizate in apa

Toate substantele solubilizate in apa se pot separa de aceasta in faze minerale solide, fenomen numit precipitare. In cazul in care concentratia unei substante depaseste concentratia de saturatie a apei, atunci se indeplineste conditia precipitarii. Evident ca atunci cand concentratia reala este egala cu cea de saturatie, precipitarea inceteaza.

Cauzele care pot determina aparitia starilor de suprasaturatie sunt diverse: o cauza posibila este variatia de temperatura, de pH, variatia concentratiei de CO₂ etc Viteza precipitatiei unei substante este controlata de gradul de suprasaturatie al acesteia. Astfel, la suprasaturatii mici, substantele precipita in stare solida cristalina si in acest caz, precipitarea se manifesta ca o cristalizare. In cazul suprasaturatiilor mari sau foarte mari, precipitarea poate fi foarte rapida, generand faze solide amorfe.

Pentru petrogeneza rocilor exogene are o mare importanta daca precipitarea este sau nu mijlocita de vietuitoarele aquatice (flora si fauna din ape). Din acest punct de vedere este bine de facut o distinctie intre precipitarea biotica si cea abiotica.

Precipitarea abiotica nu implica organismele vii. Un exemplu concludent il constituie precipitarea cauzata de evaporarea apei in unele bazine lagunare. In acest caz, evaporarea puternica a apei saline, policomponente, poate determina o precipitare selectiva a substantelor si mai ales intr-o anumita ordine: mai intai precipita substantele mai greu solubile si apoi cele mai usor solubile. Ordinea generala pare a fi: carbonati - sulfati - halogenuri. In aceste cazuri precipitarea abiotica poate fi cauzata de situatii specifice (particulare). De exemplu, depresurizarea apei sau incalzirea ei poate cauza precipitarea calcitului in golurile subterane (pesteri) sau la gura unor izvoare carstice (calcaroase).

Precipitarea relativ lenta, in bazinele aquatice, conduce la formarea a numeroase cristale care cresc treptat, in decursul timpului. Aceste cristale sunt mai dense decat apa si prin urmare sunt supuse sedimentarii gravitationale, ca orice suspensie solida. Din acest punct de vedere, suspensia abiotica se poate confunda cu o sedimentare statica. In final ea genereaza depozite sedimentare stratificate. De pilda, intr-o laguna pot aparea depozite evaporitice stratificate, avand la baza strate carbonatice, iar la partea superioara, strate cu halogenuri. In schimb, precipitarea abiotica de la gura izvoarelor sau cele din golurile carstice se desfasoara dupa alt mecanism: cristalele nu apar ca suspensii in apa, ci sunt fixate pe pereti sau pe alte suporturi solide preexistente, astfel incat sedimentarea gravitationala este evitata.

Precipitarea biotica este intim asociata cu metabolismul organismelor. In urma acestor procese metabolice (respiratii, fotosinteza etc.), anumite substante din solutia apoasa, aflata in imediata apropiere a organismului respectiv (fie el vegetal sau animal), devin suprasaturate si precipita chiar pe corpul organismului viu, generand asa numitul schelet extern. Precipitarea carbonatului de calciu (CaCO₃) in corpurile recifale, unde exista numeroase alge, este cauzata de diminuarea concentratiei de CO₂ in apa, ca urmare a fotosintezei algelor. Scheletul extern al molustelor (cu cochilii carbonatice) se formeaza ca urmare a consumului de CO₂ din apa, determinat de niste alge minuscule ce traiesc in simbioza cu molusca. Prin mecanisme mai putin elucidate, in jurul unor organisme se realizeaza suprasaturatii ale silicei, determinand aparitia scheletelor silicioase. Asa sunt scheletele de radiolari, de diatomee sau cele de spongieri.

Precipitarea biotica in sine nu este un proces sedimentar propriu-zis, nefiind implicata gravitatia. Totusi, dupa moartea microorganismelor cu schelete minerale minuscule (foraminifere, radiolari, diatomee - organisme planctonice) scheletele acestora (testele) sunt antrenate intr-o sedimentare statica putand forma, in ultima instanta, depozite sedimentare stratiforme. Exista si situatii particulare cand precipitarea biotica poate genera depozite stratificate, fara sa aiba loc o sedimentare de tip gravitational. Asa se intampla cand algele se fixeaza pe fundul apelor mai putin adanci, unde fotosinteza oscileaza sezonier ca intensitate, generand depuneri ritmice de carbonat, ca strate succesive. In final se realizeaza recifi stratificati (stromatitici).

Precipitarea biotica poate avea urmatoarele consecinte:

Formarea testelor. Testul este scheletul extern al unui anumit individ, apartinand unei anumite specii. Acumularea unui numar mare de teste individuale sau a fragmentelor de teste conduce la formarea, in ultima instanta, a unui corp petrografic special, numit corp bioacumulat. Testele pot apartine unor organisme bentonice (care traiesc pe fundul bazinelor), asa cum sunt gastropodele, bivalvele etc., sau al unor organisme pelagice (foraminifere, radiolari). Daca testele sunt cimentate intre ele, corpul bioacumulat mai este denumit "lumasel", iar daca nu sunt cimentate, faluna.

Formarea corpurilor recifale, respectiv a corpurilor petrografice bioconstruite. Acestea au structuri interne si forme variate in functie de conditia in care se dezvolta, dar mai ales de specia biotica implicata in recif (corali, alge, briozoare etc.). Corpurile recifale cu dezvoltare predominant pe verticala, fara stratificatie evidenta, se numesc bioherme, pe cand cele cu tendinta de dezvoltare tabulara si cu o structura interna de tip stratificat, se numesc biostrome.

Atat corpurile bioacumulate, cat si cele recifale, mai sunt denumite corpuri petrografice organogene, pentru a sublinia aportul organismelor vii la edificarea acestora.

Alterarea rocilor si formarea depozitelor reziduale

Alterare = complex de modificari chimice suferite de minerale si roci in zona de interactiune a atmosferei si hidrosferei cu litosfera.

Prin alterare, mineralele si rocile preexistente sunt partial solubilizate si partial transformate in produse noi (minerale de neoformatie), care intra in componenta scoartei de alterare. Factorii de control cei mai importanti sunt:

a) Materialul parental (rocile preexistente).

Caracterele lor petrografice (structura, textura, porozitatea, permeabilitatea, gradul de fisurare) favorizeaza sau nu actiunea apei. Prin caracterele mineralogice este precizata natura reactiilor chimice care se desfasoara. Rezistenta la alterare a mineralelor este variabila. Astfel, gradul de stabilitate creste de la olivina ® piroxeni amfiboli biotit si plagioclaz ortoclaz microclin cuart. De aici rezulta comportarea diferita a diverselor tipuri de roci (in ordinea dunit-gabbrou-diorit-granit, creste rezistenta la alterare).

b) Clima

Alterarea este controlata prin regimul precipitatiilor si al temperaturilor. Functie de zonele climatice se disting tipuri distincte de alterare.

c) Relieful influenteaza alterarea prin intermediul valorilor de temperatura, al formei de prezentare a apei (apa sau zapada - gheata), al timpului de conservare a apei la suprafata rocilor. Alterarea este minima la altitudini mari si maxima la altitudini reduse.

A.      Alterarea subaeriana

Procesele principale care se desfasoara in conditii subaeriene sunt:

- Solubilizarea = trecerea completa in solutie a unor substante.

- Oxidarea = distrugerea unor compusi care nu contineau O₂ si formarea altora continand O₂ (Fe₂O₃ - hematit; MnO₂ - piroluzit; FeOOH - göethit; FeOOH - lepidocrocit; AlOOH - hidrargilit; CaSO₄2H₂O - gips). Prin urmare, din elemente polivalente pot rezulta oxizi, hidroxizi, carbonati.

- Carbonatarea este un proces controlat de prezenta CO₂ in atmosfera si apele de circulatie. In scoarta de alterare apar cruste si acumulari concretionare de carbonati - aragonit, calcit.

- Hidroliza reprezinta inlocuirea numai a unora dintre constituentii substantelor (cationi) cu H⁺ sau (OH)^-,ceea ce determina transformari. Aceasta este principalul fenomen prin care sunt alterati silicatii la suprafata scoartei. Ordinea de transformare a acestora coincide cu ordinea de separare din topiturile naturale: olivina, piroxeni, amfiboli, biotit (muscovit) si albit-anortit, feldspat potasic, microclin, cuart. Astfel, olivina trece in serpentina + talc, piroxenii trec in clorit, feldspatii trec in minerale argiloase (caolinit). De regula, rocile bazice sunt mai instabile decat cele acide.

Procesele de natura hidrolitica - caolinizarea, serpentinizarea, cloritizarea, sericitizarea etc., conduc la transformarea silicatilor in mineralele respective, acestea constituind principalele minerale de neoformatie din scoarta terestra:

2NaAlSi₃O₈ + 2CO₂ + 11H₂O  Al₂Si₂O₃(OH)₄ + 2Na⁺ + 2HCO₃^- albit caolinit

+4H₄SiO₄

Din punct de vedere geochimic, alterarea este un proces petrogenetic deschis care contribuie la imbogatirea rocilor in Al, Si, Fe³⁺, H₂O si faciliteaza indepartarea unora precum Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺.

Produsele alterarii au un caracter rezidual si sunt reprezentate de scoarta de alterare si solurile.

a. Scoarta de alterare formeaza un invelis discontinuu cu grosimi variabile (mai mari in zonele ecuatoriale si temperate si mai mici in zonele reci si/sau aride). In constitutia ei intra:

- minerale relicte (zircon, rutil, cuart etc) - foarte rezistente din punct de vedere chimic.

- compusii coloidali metastabili (opal, psilomelan, hidroxizi);

- minerale de neoformatie (minerale argiloase, hidroxizi de Fe, Al, carbonati, sulfati etc.).

Distributia acestor componenti prezinta o zonalitate in plan vertical, in conformitate cu caracterele diferite pe care le are mediul de la suprafata litosferei spre adancime. In partea superficiala se individualizeaza o zona de oxidare a scoartei in care s-au desfasurat oxidari si levigari. In aceasta zona sunt stabili oxizii si hidroxizii de Fe, Mn, Al. Sub ea, urmeaza zona de cimentare sau de saturare cu apa, in care s-a produs precipitarea unor neoformatiuni minerale in urma proceselor reducatoare. Ea se extinde sub nivelul hidrostatic (Eh > sau = 0, pH progresiv, alcalin). In cuprinsul ei sunt stabili, in ordine, de sus in jos, filosilicatii de Al si hidroxizi de Ni si Co si respectiv minerale relicte (cuart, feldspati, biotit), minerale argiloase si sulfuri secundare.

In conformitate cu mersul general al proceselor, scoarta de alterare este dominata de prezenta unor neoformatiuni variate:

- tipul sialitic saturat (hidromicacee) - specific in regiuni reci si temperate, alcatuit din montmorillonit, beidelit, hidroclorit, hidromice;

- tipul sialitic nesaturat (argilica) - specific in regiuni calde, cu alterare intensa, alcatuit din caolinit, halloysit, montronit, cuart;

- tipul alitic (lateritica) - specific in regiuni ecuatoriale, cu precipitatii abundente in care se concentreaza hidrargilit, diaspor, oxizi si hidroxizi de Fe (laterite actuale si bauxite vechi).

b. Solurile:

Solurile se dezvolta pe diverse scoarte de alterare si reprezinta un invelis cu particularitati mineralogice si structurale diverse, in permanenta transformare, ca urmare a unor procese chimice si biochimice (determinate in special de microorganisme) foarte active. Raspandirea lor la suprafata scoartei are un caracter zonal sau azonal.

Pe fondul reprezentat de scoarta de alterare, interventia microorganismelor si a vegetatiei, conduce la formarea solurilor. Prin urmare, solurile se caracterizeaza prin prezenta substantei organice si printr-o puternica remobilizare a elementelor chimice. Compozitia solurilor este dependenta de substratul pe care s-au format, de clima si relieful regiunilor corespunzatoare. Ele prezinta o zonalitate verticala cu dezvoltare variabila de la o regiune la alta.

Solurile zonale, a caror dezvoltare este controlata de clima si relief, sunt bogate in cernoziomuri (soluri bogate in humus) in regiuni de campie, soluri brun-roscate (minerale argiloase si hidroxizi de Fe) in regiunile deluroase, podzoluri (SiO₂) in regiunile montane. Solurile azonale sunt specifice regiunilor cu umiditate excesiva (lacovisti si soluri gelice), cu salinitate ridicata (soleneturi) sau formate preponderent pe roci carbonatice (rendzine, terrarosa, soluri lateritice).

B. Alterarea subacvatica

Ea se desfasoara pe cele mai intinse areale de pe suprafata globului, la contactul dintre hidrosfera si litosfera. Procesele de alterare sunt permanente, dar mai putin variate decat in aer (ansamblul lor este numit halmiroliza). Ele sunt mai putin importante pentru petrogeneza deoarece nu furnizeaza materie pentru formarea de noi roci, decat in mica masura.

Precipitarea din solutii naturale

Ca urmare a distrugerii chimice a mineralelor preexistente si a solubilizarii unora dintre constituentii lor, unele solutii din natura ajung sa fie suficient de concentrate pentru a avea loc precipitarea compusilor existenti in solutie. Este cazul apelor din unele bazine marine, din lagune etc Apele marine normale au o concentratie de 30 - 35 ⁰/₀₀, iar precipitarea incepe la concentratii mult mai mari, adica la o reducere drastica a volumului de apa prin evaporare. Precipitarea se produce in ordinea descrescatoare a solubilitatii substantelor, in general succesiunea fiind oxizi - hidroxizi - silice - fosfati - carbonati - sulfati de Ca - cloruri.

Ordinea de precipitare

Separarea mineralelor din solutii naturale - coloidale sau electrolitice - este un proces in esenta chimic si urmeaza aceleasi legi, indiferent de originea fluidelor (juvenile sau meteorice). In domeniul sedimentar, procesul conduce la edificii petrogenetice de natura chimica atat in ariile continentale (in jurul izvoarelor, in lacuri, in lagune) cat si in domeniul marin. In acestea din urma, procesul este mult mai complex si duce la precipitarea de:

- carbonati (aragonit, calcit, dolomit);

- sulfati (gips, anhidrit, baritina);

- halogenuri;

- fosfati;

- borati;

- silicati (glauconit, zeoliti);

- oxizi.

Depunerea lor este in functie de volumul de apa din bazin, a compozitiei acesteia (gaze dizolvate, Eh, pH), presiune, temperatura. Precipitarea lor are loc progresiv, pe masura scaderii volumului de apa si cresterii concentratiei. Constituentii astfel formati au un caracter autigen. Alaturi de roci independente, masive, alcatuite de acesti constituenti, ei se mai regasesc ca produse precipitate din solutii interstitiale sub forma de ciment, cristale diseminate etc