Грацинский Василий Григорьевич, канд.физ.-мат.наук.

ООО «ЭЛМАШ+» г. Саратов

ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

НА ПРИМЕРЕ ОТЛОЖЕНИЙ ЛЕССОВ КИТАЯ

АННОТАЦИЯ

Китай - весьма своеобразная страна с историей цивилизации более 4000 лет. Проведение в Китае Олимпиады 2008 года дало мне толчок к выполнению исследования процессов образования пыли в воздухе городов Китая. Оказалось, что эти процессы являются еще одной уникальной особенностью территории этой древнейшей страны мира.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Китай, лёсс, осадочные горные породы, воздух, пыль, гель, золь, мицелла, уступ разрушения, ореол рассеяния

I. ВВЕДЕНИЕ

Исследования процессов осадконакопления в геологии полезных ископаемых проводятся в основном для пород древних геологических эпох. Когда речь заходит о горных породах, то сразу же у геологов возникают представления о чём-то старом, древнем - ну, если не миллионы лет, то, по крайней мере, сотни тысяч лет. Именно в этих породах находят нефть, газ и другие полезные ископаемые. Современные осадки различного происхож-дения считаются пустыми по указанным месторождениям, поэтому обычно не рассматриваются. Все геологические колонки разведочных скважин обычно строятся на породы, залегающие ниже кондуктора, перекрывающего наименее прочные стенки скважины. Однако любые осадочные отложения когда-то также были "современными" для времени их осадконакопления. Просто сейчас они засыпаны более молодыми осадками, подверглись уплотнению, метаморфизму, химическим изменениям и т.п.

В данной работе указанные проблемы решаются применительно к Китаю, поскольку автор имел возможность лично наблюдать долгое время некоторые явления, имеющие отношение к рассматриваемому вопросу.

- 2 -

1. Состояние запыленности воздуха в Китае

1.1. Современные города во всём мире в настоящее время являются пространством, заполненном пылью, выхлопными газами автомобилей, промышленными выбросами в атмосферу от деятельности фабрик и заводов. Повышенное содержание пыли в китайских городах заставляет руководящие органы Китая проводить разнообразные мероприятия по улучшению экологии.

В Китае даже издаётся специальный журнал на нескольких языках (в том числе и на русском) под названием «Дыхание Китая».

1.2. Китай поражает прилетевших в Пекин на самолёте пассажиров видом от парапета, ограничивающего аэропорт от города. Вид на местность перед аэропортом совсем другой, чем, например, в Домодедово или Внуково. Воздух насыщен чем-то, что создаёт белёсую пелену, очень напоминающую воздух городов на побережье Чёрного моря. Я спросил переводчика: «Далеко ли здесь до моря?» Он ответил, что никакого моря здесь нет и никакой крупной реки также. Есть два-три маленьких озерка в Пекине (Beihai Lake, Nanhai Lake), да маленькая речушка Tonghui River, скорее ручей.

Однако, Пекин крупнейший промышленный центр Китая. Здесь сосре-доточены ведущие предприятия по отраслям промышленности: железо и сталь, цемент, химикалии, оборудование, электроника, текстиль, автомо-билестроение, выработка продовольствия и др. Площадь Пекина 16800 кв. км, население около 8 млн.чел. Это необычайно активный по движению наземного транспорта город, в котором, как и во всех крупных европейских городах, много промышленных выбросов и нелады с экологией.

В Китае некоторые жители, в основном женщины, носят иногда марлевые повязки.

1.3. Во время Пекинской олимпиады 2008 года, многие из спортсменов, напуганные сообщениями репортёров о пекинском воздухе, сходили с

- 3 -

самолётов уже в марлевых масках, защищая свои легкие от такого воздуха.

1.4. В современной электронике производство микросхем и полупро-водниковых приборов для компьютеров, ноутбуков, мобильных телефонов и т.п. выполняется в «чистых комнатах», т.е. в помещениях, защищённых со всех сторон от воздуха улицы многочисленными фильтрами. Поэтому расположение таких предприятий выбирают в лесных районах, заросших зелёными деревьями, вдали от крупных автомобильных дорог и промышленных предприятий. Например, в США один из центров микроэлектроники расположен в «Силиконовой долине», обладающей приличными характеристиками воздуха.

1.5. Я работал в Китае в 1998-1999 гг, как раз в городке микроэлектроники в городе Сиань. И там постоянно проводи-лась активная борьба с присутствием в воздухе рабочих помещений пылевых частиц.

Однако, в выходные дни в порядке культурного обмена нас – группу специа-листов из Москвы и Саратова, вывозили «на природу» посмотреть знаменитые достопримечательности Китая. Многие из этих достопримечательностей находились в совершенно диких, заросших лесами, мест-ностях, которые должны бы были олицет-ворять собой образец чистоты воздуха, как в Силиконовой долине. Однако, нет. На рис.1 представлено фото одного из таких мест, где вокруг озерка располагаются заросшие лесом горные пространства. Видно, что горы первого за озером плана, ещё видны как заросшие зелеными деревьями. Горы второго плана, уже видны как темно серые пятна, а горы третьего плана совсем светлые, полностью закрытые пеленой непрозрачного воздуха. (Автор статьи в центре группы).

- 4 -

Таким образом, очевидно, существуют процессы генерации этой пыли и присутствие её даже в чистейших лесах Китая.

2. Причины запыленности воздуха в Китае

2.1. Китайцы и особенно мой переводчик Лао Чен, обучавшийся 6 лет в Ленинграде и великолепно говоривший по русски, знает, что в воздухе

городов, как в Китае, так и, например, в Ленинграде много пыли, но откуда она берётся в Китае, никто не знает. «Так всегда было, так есть и сейчас!».

2.2. Пыль является неотъемлемой частью жизни Китая, таким же обыч-ным понятием как рис и вода. Пыль есть везде: на дорогах и на асфальте, на крышах домов и листьях деревьев. Происхождение пыли для китайцев не ясно, поскольку при малейшем механическом движении автомобиля или другого транспорта, а также ветра мельчайшая пыль поднимается в воздух и держится там длительное время. Когда проходят дожди воздух несколько очищается от пыли и прозрачность его увеличивается. Но дожди бывают довольно редко. Пыль стоит в воздухе 365 дней в году, всегда и всюду.

2.3. Меня заинтересовала данная проблема и я начал анализировать возможные причины этого необычного явления.

3. Коллоиды

К данному исследованию наибольшее отношение имеют коллоиды.

3.1. Коллоиды [1] – дисперсионные системы, состоящие из «диспер-сиионной фазы» и «дисперсионной среды» с сильно развитой поверхностью контакта между ними.

Дисперсионная фаза коллоида – это совокупность мельчайших частиц (мицелл), растворённых в дисперсионной среде. Частицы дисперсионной фазы отделяются одна от другой слоем вещества другой фазы (дисперсионной среды).

Мицеллы (micelle – ниточка) [1] имеют размеры от 10^-4 до 10^-6 мм (от 100 до 1 нм). В химии существует понятие – мицеллярный вес (micellar weight).

Дисперсионная система может состоять из нескольких веществ.

Коллоиды могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными.

3.2. Среди коллоидных образований различают золи и гели в зависи-мости от процентного соотношения одной и другой фазы. В золях диспер-сионная среда сильно преобладает по количеству вещества над диспер-сионной фазой. В гелях дисперсионная фаза представлена в значительном количестве, так что коллоиды имеют вид студнеобразной массы.

3.3. Если дисперсионной средой является воздух, коллоиды называ-ются аэрозолями и аэрогелями. В зависимости от агрегатного состояния

- 5 -

дисперсионной фазы аэрозоли разделяются на туманы (дисперсионная фаза - частицы жидкости) и дымы (дисперсионная фаза – твердые частицы).

Золи обладают рядом специфических свойств, например, одним из важнейших свойств золей является то, что частицы имеют электрические заряды одного знака, благодаря чему они не соединяются в более крупные частицы и долго не осаждаются.

При этом частицы одних золей, например, металлов, сульфидов, кремни-евой кислоты имеют отрицательный заряд, а других, например, гидроксидов и оксидов металлов - положительный заряд.

4. Гидраты

4.1. В геологии и кристаллохимии известен факт наличия во многих минералах кристаллизационной воды (см. например, п.3.2.2.2 в [2]), которая находится в минералах в виде молекул Н₂О и занимает определённое место в кристаллической решётке. К примеру, гипс СаSО₄·2Н₂О имеет две молекулы воды, мирабилит Nа₂SO₄ ·10Н₂О имеет десять молекул воды, а цеолит гармотом имеет в своём составе 24 молекулы воды. Известно, что минерал мирабилит образуется в заливе Кара Богаз Гол (Каспийское море) при выпаривании морской воды.

4.2. В образце минерала множество таких молекул - они образуют моле-кулярный вес химического соединения. Однако, естественно, представить и наличие одной такой молекулы, с которой начинается кристаллизация. При этом, присутствие воды в минерале уменьшает средний молекулярный вес большой молекулы.

Например, гипс СаSО₄·2Н₂О имеет М=172,17 на 12 атомов, а ангидрит СаSО₄ имеет М=136,14 на 6 атомов. Средний атомный вес в ангидрите 22,69, а в гипсе 14,34, т.е. всего 0,63 от безводного ангидрита.

4.3. Для данного исследования важно то, что гидраты имеют и меньшую плотность по сравнению с неводными минералами того же состава.

Например, ангидрит CaSO₄ имеет плотность ρ=2.90-2.99 г/см³, а у гипса CaSO₄·2Н₂О ρ=2.31-2,33 г/см³.Плотность гипса снижается двумя молекулами воды на 0,66 г/см³. Тенардит Na₂SО₄ имеет ρ=2.70 г/см³, а у мирабилита Na₂ SО₄ ·10Н₂О ρ=1.46 г/см³_, т.е. 10 молекул воды снижают плот-ность на 1,24 г/см³. Снижение плотности наблюдается у всех гидратов, но процент снижения плотности на одну молекулу воды различен в зависимос-ти от кристаллической решетки разных минералов.

4.4. В [2] рассматриваются процессы образования горных пород, слагаю-щих основания континентов. Так в табл. 42 в [2] рассматриваются свойства

- 6 -

простейших химических соединений, которые присутствуют в расплаве мантии и имеют возможность находиться в верхних частях расплава мантии

по свойствам малой плотности (удельного веса) и относительно высокой температуры плавления.

4.5. Обратный процесс – разрушение горных пород также можно рассматривать, как процесс распада горных пород в основном на минераль-ные частицы, состоящие из тех простейших соединений, из которых они создавались. Именно эти простейшие соединения на молекулярном уровне формируют те мельчайшие частицы, которые могут сохранять свою целост-ность при определённом диапазоне изменения внешних условий, а легчай-шие из них переноситься на дальние расстояния от места образования.

В таблицах 42 и 43 в [2] имеются все составные части лёсса (см. [1]), в том числе карбонатные и глинистые соединения.

5. Образование аэрозолей

5.1. В слое облаков (облака – это в основном те же туманы по классифи-кации п.3.3) имеется множество мельчайших капелек воды, которая за ночь замачивает (росой) твёрдую рыхлую поверхность гор до коллоидного раст-вора минеральных частиц (мицелл) в воде (твердых частиц в жидкости).

5.2. Утром, поднявшееся над горизонтом облаков Солнце, нагревает намокшую поверхность горной породы, вызывая интенсивное испарение с её поверхности воды вместе с растворёнными в ней минеральными частицами, которые получают возможность оказаться в воздухе в форме мицелл аэрозоля (гидратов минеральных образований типа дыма по классификации п. 3.3). Наличие гидратов снижает плотность (удельный вес) частиц дисперсной фазы коллоидной системы, так что они могут лететь на большие расстояния.

Поднявшееся над облаками Солнце, нагревает сверху облака и они растворяются, тают, а поднимающийся вверх водяной пар создает восходя-щий воздушный поток Поднявшиеся даже на небольшое расстояние (нес-колько мм) над поверхностью горы мицеллы аэрозоля сдуваются с неё вет-ром. Ветер также ускоряет процессы испарения замоченных поверхностных веществ.

5.3. За время нахождения на работе в Китае мне пришлось много раз перелетать из Пекина в Россию и обратно. Эшелон полёта самолёта имеет высоту порядка 10 км, так что под крылом самолёта из иллюминатора хоро-шо видна верхняя поверхность облаков.

- 7 -

В двух случаях полёта удалось наблюдать белые шлейфы ветровых сносов пыли, которые летели от высоких пиков на восток над тёмно серой поверхностью облаков. Теперь можно смело утверждать, что это наблюда-

лись ореолы рассеяния - источники образования пыли в воздухе, которые имея в местах образования повышенную концентрацию, распространяются далеко от места образования вплоть до Жёлтого моря, создавая эту «вечную» пыль в воздухе Китая.

5.4. Поверхность облаков имеет (каждый конкретный день) хорошую горизонтальную форму, поэтому процесс образования минерального «дыма» происходит на одном горизонтальном уровне, создавая своеобраз-ный уступ разрушения (ров, борозду,) в склоне скалы, обращая мало внима-ния на форму складчатости и направление слоистости горных пород. Определяющим фактором здесь является горизонтальная поверхность слоя

облаков, поэтому горизонтальный уступ пересекает все возможные слоистости разнообразных типов пород. В основном горы Китая сложены серыми гранитами.

На рис.2 показан пример образо-вавшихся горизонтальных "усту-пов, рвов, борозд" разрушения на склоне гор в Китае. Данная фото-графия сделана в холодное время года, когда склоны частично засыпаны снегом. Имеется мно-жество фотографий таких уступов и без наличия снега.

Высота поверхности облаков изменяется в зависимости от вре-

мени года. Она выше летом и ниже–зимой. Поэтому площадь

уступов и борозд на склоне горы имеет значительную величину.

Китай – горная страна. Само название государства (Поднебесная) как раз подчеркивает высокогорность её территории. Горы занимают почти всю территорию страны. Самая высокая гора на земле Эверест -Джомолунгма (8848 м) находится именно в Китае. Горы ниже границы снегов в основном покрыты зелёным растениями: деревьями и кустарником естественного происхождения. Горы выше границы снегов - голые скалы, снег, фирн, лёд.

Из-за наивысшего расположения в атмосфере источников образования пыли и огромного их количества в Китае наблюдается наиболее дальнее

- 8 -

распространение минеральной пыли и большое количество ее в воздухе. Улетая с гор, твёрдые минеральные образования садятся на поверхность земли, на листву деревьев, на поверхность рек и озёр, а затем дождями

сносятся в крупные реки, в поймах которых образуются наиболее мощные отложения этой породы, называемой лёссом.

Лёсс имеет распространение не только в Китае. Он также распространен на юге европейской части СНГ, в Средней Азии, Северной Америке, В Восточном Китае лёсс имеет особенно широкое распространение, здесь его мощность достигает 200 м.

6. Перенос лёсса

6.1. Горные пространства, плавно спускающиеся к Жёлтому и Китайс-кому морям, формируют условия постоянных ветров, дующих в Китае с запада на восток. Холодный (более тяжелый) воздух с горных вершин вечных снегов опускается вниз под действием силы тяжести и является действующей силой образования ветра.

6.2. Постоянные прогнозы погоды, представляемые китайским Гидро-метцентром, показываемые по телевидению, дают картину почти ежеднев-ных ветров с запада с горных вершин на восток к тёплому морю. Вода китайских морей при нагреве интенсивно испаряется и поднимается вверх, освобождая место для стекающего сюда с гор прохладного воздуха. Таким образом, замыкается круговорот движения воздуха для постоянного переноса лёссовых частиц с гор во все провинции Китая.

6.3. Этот процесс и является причиной современных осадконакоплений лёсса на всей поверхности континентального Китая. Нет причин считать, что интенсивность осадконакопления ранее была иной.

6.4. Немногочисленные дожди по причине большого горизонтального уклона сносят осевшие на поверхность земли и листья растений частицы лёсса в реки. Потоки воды после дождей бывают исключительно стремительными и обладают разрушительной силой, смывая посевы с пространств в межгорных поймах, где почва ещё может удерживаться и быть пригодной для плодородия.

7. Образование мощных морских отложений и желтого цвета воды

7.1. Наличие механизма продуцирования мелкодисперсного материала по п.5 и механизма переноса этого материала к месту осаждения по п.6 создаёт условия накопления больших мощностей морских осадочных отло-жений. Поэтому Жёлтое море имеет глубины значительно меньше средне океанических.

- 9 -

7.2. Находящиеся в этом воздушном потоке пылевые частицы переносятся на значительные расстояния, в принципе недоступные переносу в водной среде, т.е. до тысяч километров. Поскольку количество

пылевых частиц в воздухе весьма значительно, то они, осаждаясь на поверхность воды и накапливаясь в ней, изменяют цвет воды, придавая ей желтоватый оттенок. Поэтому море и получило название ХУАН, т.е. Жёлтое, как и крупнейшая река Китая Хуан-хе (Желтая река).

7.3. Интересен также вопрос, откуда появляется этот жёлтый цвет воды и моря. По моему мнению и из табл. 42 в [2] четвертым сверху соединением является пероксид калия K₂O₂, который имеет желтый цвет и удельный вес ρ= 2,18 г/см³, а пятым соединением записан супероксид калия KO₂, имеющий также желтый цвет и ρ =2.14 г/см^3..

Эти соединения получаются при разрушении полевых шпатов гранитов, содержащих пероксид и супероксид калия, которые и придают желтый цвет лёссовой пыли. Полевые шпаты являются основными в химическом составе лёсса, поэтому желтая окраска лёсса и воды очень заметна.

7.4. В описанном исследовании имеем редчайший случай, когда геологи могут своими глазами наблюдать процесс образования этих самых горных пород во все мельчайших подробностях.

Выводы

1. В работе рассмотрены процессы генерации современных отложений лёсса в Китае.

2. Описаны причины повышенной запылённости воздуха атмосферы.

3. Высказаны механизмы переноса пылевых частиц на большие расстояния.

4. Предложены объяснения жёлтого цвета Жёлтого моря и реки Хуан-хе.

Литература

1. Геологический словарь // т.1-2. –М.: ГОСГЕОЛТЕХИЗДАТ, -1960. -403 с.

2. Грацинский В.Г. Земля. – Саратов.: Приволжское книжн. изд-во, -1999.

-216 с., илл.

3. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия.- М.: Химия, - 1994. -592 с.