بخشی از مقاله
تقابل سنگ و آب:
تجزيه فيزيكي و شيميايي سطح بستر خاك و جدا شدن رسوبات:
1-2- مقدمه:
سنگهاي رسوبي جدا شده معمولاً به اين خاطر
كه شامل سنگهاي اوليه مي باشند از نظر كاني شناسي با سنگهاي آذرين و دگرگون متفاوت هستند. ما ممكن است براي اين مطلب هيچ توضيحي نداشته باشيم اگر چه كه فلدسپار معمولاً رايج ترين كاني در سطح پوسته زمين است (در حدود 60%) با اين وجود كوارتز معمولاً در سنگهاي رسوبي جدا شده نفوذ داشته است. اما تجربه به ما مي گويد كه هه اين عناصر در سطح پوسته موجود بوده و از طريق هوازدگي آزاد مي شوند و بايد دقيقاً همان سطح فراواني در رسوبات نيز وجود داشته باشد.
(يك آب اقيانوس مركب را فرض كنيد) بنابراين متوسط تركيب شيميايي همه رسوبات از گراندوديوريت است كه تقريباً تمام متوسط پوسته زمين را تشكيل مي دهد.
به طور معمول سنگها در اثر هوازدگي به اجزا فيزيكي و شيميايي تبديل مي شوند اما در واقع اين اجزا به هم پيوسته حل نشدني هستند. هوازدگي شيميايي و زيست شيمي معمولاً در اثر تبادل آب در سطوح كاني در مناطق اشباع نشده كه نزديك سطح زمين مي باشند يعني معمولاً در 100 متري رخ مي دهد. گياهان زنده و مرده نقش مهمي در تنظيم اين فرسايش بازي مي كنند كه اغلب فراگير است. يك مقطع خاكي نتيجه ويژگيهايي است كه بستگي به آب و هوا و نوع سنگ دارد. آب يكي از مهمترين واكنش دهندهاست و نقش مضاعفي بازي مي كند. زيرا هم باعث جابجايي مواد حل نشده و توليدات هوازدگي خاك مي شود. شكل 1-2 نشان دهنده يك چرخه هيدروژني خاك در نزديك پوسته است.
واكنشهاي آبي داراي اجزاء قوي زيست شيمي هستند آنها توسط جو حل نشده، گازهاي توليد شده توسط خاك، اسيدهاي رقيق شده واعضاي مولكولي حمايت مي شوند. اين واكنش بسيار پيچيده است چرا كه كانيهاي سيليكاتي با سازه هاي زياد آنيوني و كاتيوني خود، همچنين ميزان آب و يونهاي مختلف حل نشده در مكان و زمان در آن نقش دارند.
چهار مكانيسم مهم در فرسايش شيميايي عبارتنداز: حلال، اكسيداسيون، آبكافت (هيدروليز) و اسيد هاي هيدروليز.
فرسايش فيزيكي با وارد آوردن فشارهاي به صخره ها در محل قديمي و اصلي و انفصال كافي در مناطق اشباع نشده باعث خرد شدن آنها مي شود. اين فشارها شامل آزاد سازي، جاذبه، جريانهاي بادي برعكس، بلورهاي نمكي از آبهاي زيرزميني ذوب يخ و انبساط گرمائي متفاوت مي باشد. فرسايش خاكي به نوبه خود باعث ايجاد لاية خاكي نمي شود بلكه همكاري اعضاي قبلي محل براي اينكار لازم است.
آب متشكل از تأثيرات هوازدگي فيزيكي و شيميايي باعث توليد يك مقطع هوازده مي شود كه شامل:
سطح خاك با اعضاي متشكل مؤثر آن.
ساپروليت مخدوش شيميايي كه باعث تغييرات مهم شيميايي مي شود.
عناصر شيميايي بدون تغيير اما اغلب باعث جدا شدن فيزيكي سنگ بستر مي شوند.
سطح مشترك بين لايه هايي كه حركت آرام و روبه پايين دارند به عنوان كاهش دهنده عمل مي كنند. در حقيقت، منظرة خط‌چين توسط ايزوتوپهاي گيتي شناسي و ديگر وسايل آشكار كننده طراحي شده و يك حالت ثابت از تودة موازي كه توسط هوازدگي جابجا مي شوند و با ميزان مساوي از مواد ساخته شده جايگزين مي گردند را نشان مي دهد.
هوازدگي شامل:
شكسته شدن اتصالاتي كه در حالت فيزيكي ترك برداشته اند و در حالت شيميايي حل مي شوند.
شكسته شدن اتصالات از طريق جدا شدن يونها.
جابجايي الكترونها به سادگي از فلزاتي همچون Fe و Mn.
عمل هوازدگي روي :
مجموعه هاي كاني (سنگها!)كه به سادگي آزمايشگاههاي شيميايي از يك بطري نيست.
بلورهاي ناقص با سطوح و شبكه معيوب.
هوازدگي بستگي دارد به:
عملكرد آب
تفكيك آب به يونها H+ و OH-.
تلغيظ CO2 از طريق فرآيندهاي خاك و هوا.
دما از طريق نتايج اصولي آرهينوس (Arrhenius)
2-2- آبهاي طبيعي بعنوان ارتباطات پروتونها: PH، اسيد هيدروليز (آبكافت) و فرسايش سنگ آهك (كلسيت).
مولكولهاي آب در گرما به H+ (پروتون در اين متن؛ در واقع پروتونهاي هيدرات، H3O+، يونهاي اكسيژن) و يونهاي OH- (هيدروكسال) تبديل مي شوند. پروتونها مسئول اسيد سيتريك محلول آبي هستند و ما را قادر مي سازند تا بلافاصله متوجه دوره فرسايش دهنده هاي پروتون و حمايت كننده هاي آن شويم. غلظت
يوني H+ در محلول رقيق شده آنقدر كم و متفاوت است كه اسيديته آن در مقياس لگاريتم محاسبه مي شود. همان طور كه لگاريتم غلظت يوني H+ آزاد منفي است. اين همان PH، با واحد mol/kg (نشان مي دهد كه PH بالاتر به منزله غلظت يوني پايينتر است!). در دماي اتاق تنها 7-10 mol/kg پرتون در آب خالص وجود دارد. (كه با مقدار OH-) مساوي است. و اين به منزله منبع ارزشيابي PH خنثي قرار دارد. (7=PH). مقادير بالاي اين PH، قليايي و مقادير پايين تر آن اسيدي خوانده مي شود. اين شرايط (قليايي و اسيدي) امكان پذير است. زيرا كه يونهاي H+ و OH- ممكن است با ديگر محلولهاي آبي نيز واكنش دهند.
هيچ آبي طبيعي خالص نيست. در تمام محلولهاي مقادير كم و بيشي از يونها بعلاوه يونهاي H+ وجود دارد. ما معمولاً مي خواهيم بدانيم كه چه غلظتي از واكنش دهنده ها توسط واكنشهاي خاص توليد مي شوند. اما پي تكليف حالت اشباع محلول چيست؟ چگونه مي توانيم بگوييم كه يك محلول آبي مثل باران يا
آب رودخانه مي تواند كانيهاي صخره اي را در خود حل كند؟ (مثل: وجود حالت زير اشباع). بطور مثال، يك سطح هوازده را مورد بررسي قرار مي دهيم 1 كيلوگرم از آب رودخانه طبيعي در موقع تجزيه شامل gr3-10 2 از CaCo3 مي باشد كه يك كميتي از قبيل همان چيزي كه شناخته شده مثل توليد يون هاليت (IAP) يا غلظت آن. از آنجا كه رابطة توده جرمي CaCo3، 100=(16×3)+12+40 مي باشد، ما همان چيزي را داريم كه فعاليت (a) ناميده مي شود و از راه حل 5-10×2=100/002/0 بدست مي آيد.
اين قبيل راه حلها نشان مي دهد كه بر اساس تجربيات آزمايشگاهي اين ماده مي تواند مقدار CaCo3 بيشتري را در خود حل كند. در حقيقت، در آب 25 مي تواند، 2-10×91/2 CaCo3 را در خود حل كند. (نگه دارد). به همين ترتيب مي بيند كه حجم آن بيشتر از مثال ساده ما بود. بنابراين همانطور كه گفته و فهميده شد آب مي تواند مقدار بيشتري CaCo3 را در خود حل كند.
از آنجا كه خيلي از محلولهاي آبي در ارتباط متقابل با هوا قرار دارند. ما همچنين مجبور مي شويم كه غلظت اجزاء گازي در محلول را هم توضيح دهيم (براي مثال CO2). البته اين كار بخصوص نيست كه فشار هر گازي از يك سو در تقابل با مايع است و از سوي ديگر اين فشار رابطه مستقيمي با كسر اجزاء در گاز دارد. بنابراين ما در مورد بخشي از فشار يعني جزء I صحبت مي كنيم. PI= xIP
خيلي از هوازدگيهاي طبيعي و واكنشهاي تشكيل رسوب برگشت پذيرند به اين ترتيب كه مي توانند بسته به شرايط محلي و قابل دسترس بودن يونها از طريق حل شدن H+ و غيره به عقب يا جلو باز گردانند. بنابراين در آب خالص (يونهاي OH- و يا H+ وجود ندارد).
يونهاي كلسيت نيز توسط عمليات برگشت پذير زير جدا مي شوند.
CaCo3 Co2+ +
حالت موازنه براي اين قبيل واكنشها كه مقدار آن از چپ به راست با مقدار آن از راست به چپ يكي است وجود دارد.
در اين موازنه فعاليت توليد واكنشها در هر دو طرف توازن يكي است. بنابراين، ممكن است يكي پارامتر ثابت يعني k را براي دما تعريف كنيم:
k پارامتر ثابت موازنه براي هر واكنش در يك دماي معين مي باشد. در اين موقعيت CaCo3 يك جامد خالص است و براي تمام فعاليتهاي جامدات 1=a بنابراين
.
اگر ما اين واكنش را با افزودن كلسيم بهم بريزيم معادله در محيط خنثي عمل مي كند – با فرض ثابت بودن k – در اين حالت با جابجايي به سمت عكس كربنات كلسيم جامد توليد مي شود. معمولاً براي همه نمكهاي كه در آب در اثر اين واكنش گرماگير (يعني به انرژي احتياج دارد) حل مي شوند، افزايش دما باعث افزايش ارزش k و در نتيجه افزايش قابليت انحلال مي شود. البته اين مسئله در مرود گازها صادق نيست زيرا كه دما و يا فشار در آنها باعث كاهش قابليت انحلال مي گردد. اين مسئله باعث ايجاد سيستم هوازدگي كربنات كلسيم در آب طبيعي در طي يك واكنش پيچيده مي شود، به اين خاطر كه حلاليت توسط اجزاء ساده واكنش بالا كنترل نمي شود. در اين حالت واكنشها درگير حلاليت Co2 مي باشند (معادله 5-2) كه منبع آن هوا و يا تنفس مي باشد در اين قبيل موارد نقش مهمي در كنترل PH و مقدار واكنش دارد.
احتمالاً مهمترين منبع يون H+ از حل شدن CO2 موجود در جو، آب باران، باكتريها و مواد آلي است. همچنين Co2 موجود در مواد آلي كه از طريق تنفس ميكروارگانيسم ها در آب جامد توليد مي شود. بنابراين ما بايد اين روابط به هم پيوسته را براي تركيب آب و دي اكسيد كربن و و يونيزه شدن دو مرحله اي اسيد كربنيك دنبال كنيم.
اين عمل تجزيه اسيد كربنيك شديداً به PH وابسته است. تعادل (مقدار) PH در آب خالص در سيستم Co2 – H2o در دماي 25، 7/5 است. تعادل براي واكنشهاي بالا و براي تمام سيستم كربنات در دماهاي مختلف ثابت است كه در جدول 1-2 ارائه شده است و از آنجا مي توان فهميد كه:
1- احتمالاً Co2 به طور شگفت انگيزي قابليت انحلال كمتري در دماي بالاتر دارد.
2- اولين تجزيه اسيد كربنيك (K1¬) براي واكنش اسيدي هيدروژن بيشتري توليد كرد.
اين نتيجه گيري خيلي در مورد رسوبات كاربرد دارد. حالا ما به موضوع اصلي بازخواهيم گشت.
در محيطهاي آمايشگاهي و اندازه گيري مشخص شد كه مي تواند به ارزشهاي بالائي در محيطهاي آب زيرزميني برسد. چرا كه مقدار اندكي از Co2 نسبت به سطح وجود دارد اين عامل تنفس co2 در خاك باعث كاهش ph حتي كمتر از مقدار طبيعي آن در آب باران مي شود افزايش اين چنين ph به co2 موجود در حتي در سفره هاي آب زيرزميني خيلي عميق همانند سفره آب زيرزميني فلوريدن (Floridan) جائيكه شرايط شيميايي براي كنترل تغييرات واكنش وجود دارد ديده مي شود.
اطلاعات بيشتر در مورد ويژگيها و نقش آب در هوازدگي سنگ:
زمين نمونه بي همتايي در مقدار فراواني آب و بخار مي باشد اين بسيار ساده است كه ماده اي را به طور مثال در نظر بگيريم در حالي كه همين مولكول به ظاهر ساده آب داراي خاصيتهاي توجهي ات كه نقش مهمي در هوازدگي كانيها و سنگها باز مي كند. هنگامي كه آب بين ورقهاي شارژ شده قرار مي گيرد
مولكول هيدروژن مثبت خود را به سمت قطب منفي و اكسيژن منفي خود را به سمت قطب مثبت هدايت مي كند. كه تأثير آن مشابه زماني است كه آهن ربا در محط مغناطيسي قرار مي گيرد. مولكولهاي آب جايگاههاي قطبين را دقيقاً مانند آهن اشغال كرده و مشابه دو قطب الكتريكي عمل مي كنند. قدرت لحظه اي قطبين توسط بار توليد شده و فاصله بين آنها محاسبه مي شود. مولكولهاي قطبي آب نتيجه ارتباط كووالانسي نامتقارن در مكاني است كه الكترونگاتيويته قوي
اتم اكسيژن اكثريت سهم الكترونهاي قابل دسترس را به خود اختصاص داده است. اين مسئله باعث مي شود كه اكسيژن مقداري بار منفي بگيرد در حاليكه بار مثبت آن داراي مقدار كمي اتم هيدروژن الكترونگاتيويته است. پيوند شيميايي بين اكسيژن و دو اتم هيدروژن باعث جلوگيري از اصطكاك ابرهاي الكتروني اتماكسيژن با ابرهاي الكتروني اتم هيدروژن مي شود اين پيوند بايد در حالت تئوري در زاويه 90 صورت بگيرد و از يكي مولكول اربيتال كه از الكترونها اشغال شده تشكيل شود. اما در عمل بخاطر گريز موجود بين اتمهاي هيدروژن زاويه پيوند فقط 105 است و طول پيوند mm8-10×8/9 مي گردد. هنگامي كه مولكولهاي آب يكدفعه به يكديگر مي رسند، تقابلي ضعيف بين پيوندهاي هيدروژني بخاطر پيوند كووالانسي H2O- صورت مي گيرد. آنها به دليل اين فرآيند به شكل گروههاي چهاروجهي در مي آيند. (شكل 1-2B).
بسياري از اين ويژگيهاي مشخص و تقابلات دو طرفه آب در ساختار مولكولي آن توضيح داده شده است.
1- آب يك حلال مؤثر بالا براي پيوندهاي مركب يوني (يك نمونه آشنا: NaCl) بخاطر قطبهاي طبيعي است. در اين فرآيند انتهاي مثبت و منفي مولكولهاي آب به يكديگر برخورد كرده تا يونهاي سطحي مثبت و منفي به طور مؤثرتري با يكديگر تركيب مي شوند. وجود بارهاي خنثي وتلاطم مكانيكي باعث جداسازي يونهاي اصلي مي شود.
يكبار در محلول، يونها توسط مولكولهاي آب احاطه مي شوند. اين مولكولها كه با پيوندهاي الكترواستاتيك بهم متصل شده اند ممكن است باعث توازن انرژي موجود در يونها شوند، بنابراين آنها را توسط آن به هم متصل مي كنند در اينجا تقابلي بين قطبها و يونها وجود دارد. درجه اتصال توسط آب مشخص كنندة استعداد يوني است به طور مثال، نسبت بين بار الكترواستاتيك و شعاع يوني.
2- گروه 4 وجهي آب از آن قبيل ويژگيهاست كه باعث كشش سطحي زياد و قدرت جذب مي شود. كشش سطحي زياد باعث مي شود كه آب داراي خاصيت بالاي نفوذپذيري در موارد متخلخل، درزها و شكافها باشد.
3- انقباض باعث كاهش دما به همراه افزايش چگالي مي شود كه كاهش به هم خوردن (تماس) مولكولها را در بردارد. اين تأثير متضاد باعث توليد هر چه بيشتر پيوندهاي هيدروژني مي شود. حداكثر چگالي آب تازه به 4 مي رسد اما اين دما به خاطر افزايش فشار و شوري كاهش مي يابد.
انبساط زير 4 به تشكيل گروه چهار وجهي مولكولي منجر مي شود كه همچنين باعث شروع تشكيل ساختار يخي هگزانول و در نيتجه كاهش چگالي مي شود. انبساط تا دماي 22- ادامه مي يابد در اين زمان يخ به حداقل چگالي و حداكثر فشار انبساطي رسيده است. بلور يخي هگزانول به حداكثر رشد طبيعي خود براي تشكيل سطح پايه رسيده است. از آنجا كه رشد بلور يخي در درزهاي بسيار كوچك صخره هاست (همان طوري كه در بالا اشاره شد، آب بخاطر سطح فشار بالا، قدرت نفوذ بالائي دارد) مي تواند به حاشيه ها (لبه ها) فشار بالائي اعمال كند.
3-2- يونهاي فلزي، انتقال الكترون و نمودار PH:
افت الكترونها از يك عنصر يا يون اكسيداسيون خوانده مي شود كه به افزايش ظرفيت مثبت و يا كاهش ظرفيت منفي منجر مي شود و عكس اين عمل هم براي كاهش صادق است. براي مثال با توجه به اكسيداسيون يونهاي فلزي كه ممكن است در آب رخ دهد واكنشهاي كانيها از قبيل كاني سيليكات، پيروكسن، اليوين، بيوتيت يا هورنبلند، يا دي سولفيد آهن، پرميت به اين شرح است:
Fe2+ Fe3+ + e-
هر نوع تغيير در هوازدگي شيميايي و ديگر فرآيند هاي رسوب گدازي شيميايي از آنجا كه بر روي قابليت انحلال خرده ها فلزها، بخصوص اكسيدها، هيدروكسيدها و سولفيدها در گروه فلزات واسطه، اثر مي گذارد، مهم است. در موقعيت Fe، Fe2+ نمايندة گروه كاهش دهندة آرام است و اين به خاطر رابطة آزاد آن با االكترونهاي اطرافش مي باشد. شكل Fe- برعكس – پايداري ساختماني بالائي دارو و اين بخاطر اين است كه نيمي از پوستة آن الكترون تشكيل شده است پيوند fe2+ خيلي انرژي كمتري نسبت به پيوند Fe3+ - o دارد. به همين دليل تركيب Fe3+ قابليت انحلال بيشتري دارد.
چرخه انتقال الكترون در مواقع كاهش و يا اكسيد شدن Fe و پيوندهاي آلي در آزمايشگاه بين مرز مناطق اكسيژن ضعيف (كمبود اكسيژن) و اكسيژن قوي (زيادي اكسيژن) اتفاق مي افتد. (پيوند مولكولي يك تركيب چسبنده است كه معمولاً براي انتقال فلز با تعداد زيادي اربيتال خالي الكترون در اطرافش بكار مي رود).
اين مسئله خاكهاي افقي نمونه گلي و لكه هاي زرد و خاكستري با مخلوط قطعات آهن توليد مي كند. اكسيژن حل شده در آبهاي سطحي عامل بسيار مهمي در اكسيداسيون طبيعي و مقدار زياد الكترونگاتيويته محسوب مي شود. (واكنش دوم تنها باعث جذب الكترونهاي مي شود).
ممكن است كه ميزان كاهش اكسيداسيون (احياء عامل بالقوه) هيچ عامل متفاوتي (E) توليد نكند بلكه بين يك الكترود غيرفعال – معمولاً پلاتين – و يك الكترود هيدروژن از عاملهاي شناخته شده قرار بگيرد. احياء اين عامل بالقوه براي پروتونهاي كه درگير واكنش هستند مهم است.
