Ряд растворения Гольдича — это метод прогнозирования относительной стабильности или скорости выветривания распространенных магматических минералов на поверхности Земли, при этом минералы, которые образуются при более высоких температурах и давлениях, менее стабильны на поверхности, чем минералы, которые образуются при более низких температурах и давлениях.
SS Goldich вывел этот ряд в 1938 году после изучения почвенных профилей и их материнских пород. [1] Основываясь на анализе образцов из ряда выветренных местностей, Goldich определил, что скорость выветривания минералов контролируется, по крайней мере, частично порядком, в котором они кристаллизуются из расплава. Этот порядок означал, что минералы, которые кристаллизовались первыми из расплава, были наименее стабильными в условиях земной поверхности, в то время как минералы, которые кристаллизовались последними, были наиболее стабильными. Это не единственный контроль скорости выветривания; эта скорость зависит как от внутренних (качества, характерные для минералов), так и от внешних (качества, характерные для окружающей среды) переменных. [1] [2] Климат является ключевой внешней переменной, контролирующей соотношение воды и породы, pH и щелочность , все из которых влияют на скорость выветривания. [1] Ряд растворения Goldich касается внутренних качеств минералов, которые, как было доказано как Goldich, так и предшествующими учеными, также важны для ограничения скорости выветривания.
Более ранняя работа Штейдтмана [3] продемонстрировала, что порядок ионной потери породы по мере ее выветривания следующий: CO 3 2- , Mg 2+ , Na + , K + , SiO 2 − , Fe 2+/3+ , и, наконец, Al 3+ . Голдич продолжил этот анализ, отметив относительный порядок стабильности минералов, который связан с относительной устойчивостью этих ионов к выщелачиванию. Голдич отмечает, что в целом мафические (богатые железом и магнием) минералы менее стабильны, чем фельзические (богатые кремнеземом) минералы. Порядок стабильности в ряду очень хорошо отражает ряд реакций Боуэна , что привело Голдича к предположению, что относительная стабильность на поверхности контролируется порядком кристаллизации. [4]
В то время как первоначальный порядок потенциала выветривания минералов Голдича был качественным, более поздняя работа Михала Ковальски и Дж. Дональда Римстидта поместила ряд в количественные термины. Ковальски и Римстидт провели анализ механического и химического выветривания зерен и продемонстрировали, что среднее время жизни химически выветренных обломочных зерен количественно соответствует последовательности Голдича чрезвычайно хорошо. [5] Это помогло дополнить применимость ряда растворения в реальном мире. Разница во времени химического выветривания может охватывать миллионы лет. Например, самым быстрым выветриванием из распространенных магматических минералов является апатит , который достигает полного выветривания в среднем за 10 5,48 лет, а самым медленным выветриванием является кварц, который полностью выветривается за 10 8,59 лет. [5]
Ряд растворения Голдича следует той же схеме, что и ряд реакций Боуэна , при этом минералы, которые кристаллизуются первыми, также первыми подвергаются химическому выветриванию . [4] Ряд реакций Боуэна гласит, что во время фракционной кристаллизации оливин и кальций-плагиоклазовые полевые шпаты первыми кристаллизуются из расплава, после чего следуют пироксен , амфибол , биотит , натрий-плагиоклаз, ортоклазовый полевой шпат, мусковит и, наконец, кварц . Этот порядок контролируется температурой расплава и его составом. Поскольку ранее кристаллизующиеся минералы более стабильны при более высоких температурах и давлениях, они быстрее всего выветриваются в поверхностных условиях.
Химическое выветривание магматических минералов приводит к образованию вторичных минералов, которые представляют собой продукты выветривания исходных минералов. Вторичные выветривания магматических пород можно классифицировать в основном как оксиды железа , соли и филлосиликаты . Химия вторичных минералов частично контролируется химией исходной породы. Мафические породы, как правило, содержат более высокие пропорции магния и трехвалентного и двухвалентного железа, что может привести к вторичным минералам с высоким содержанием этих катионов, [6] включая серпентин , глины, богатые Al, Mg и Ca, [7] и оксиды железа, такие как гематит . [6] Фельзитовые породы, как правило, имеют относительно более высокие пропорции калия и натрия, что может привести к вторичным минералам, богатым этими ионами, включая глины, богатые Al, Na и K, такие как каолинит , [8] монтмориллонит [8] и иллит . [9]
Ряд растворения Голдича может быть применен к литосеквенциям , которые являются способом характеристики профиля почвы на основе ее исходного материала. [10] Литосеквенция включает почвы, которые подверглись относительно схожим условиям выветривания, поэтому изменения в составе основаны на относительных скоростях выветривания исходных минералов. Таким образом, скорости выветривания этих почв и их состав в первую очередь зависят от относительной доли минералов в ряду растворения Голдича. [10]
Экспериментальная работа Уайта и Брэнтли (2003) выявила некоторые ограничения ряда растворения Голдича, в частности, то, что некоторые вариации в скоростях выветривания различных минералов не столь выражены, как утверждает Голдич. [2] Согласно ряду растворения Голдича, анортит, плагиоклазовый полевой шпат, должен быстро выветриваться, со временем жизни 10 5,62 года, количественно определенным Ковальски и Римстидтом. [1] [5] Наоборот, время жизни калиевого полевого шпата должно быть намного больше, 10 8,53 года, снова основываясь на работе Ковальски и Римстидта. Однако экспериментальные результаты Уайта и Брэнтли показывают, что относительные скорости выветривания калиевого полевого шпата и плагиоклазового полевого шпата довольно схожи и в основном смягчаются степенью, в которой минералы уже были выветрены (в экспоненциально убывающей функции). Это показывает, что ряд Гольдича не может применяться ко всем видам процессов выветривания, а также не учитывает эффект экспоненциального затухания скорости выветривания поверхности. [2]