Выветривание и образование вторичных минералов

Горные породы, попадая на дневную поверхность, оказываются в условиях резко отличающихся от условий, в которых они образовались. Поэтому они теряют устойчивость и подвергаются процессам преобразования. Сумма процессов преобразования горных пород на поаерхности Земли называется выветриванием. Процесс преобразования горных пород включает многочисленные процессы и явления. Условно можно разделить их на физическое выветривание и химическое. Физическое разрушение горной породы вызвано в основном периодическим нагреванием и охлаждением их. Коэффициент расширения разных минералов и одного и того же минерала по разным осям, неодинаков. При нагревании и охлаждении образуются трещинки. Попадающая в них вода оказывает давление очень большое. При обычной температуре в трещинах шириной 1 мкм капиллярное давление составляет примерно 15×10⁴ паскаль; шириной 1 мм составляет 15×10⁷ паскаль. Замерзая вода еще более расширяет трещины, т.к. энергия кристаллизации очень велика. В жарких сухих областях действие аналогичное льду производят соли.

Химическое изменение. Агентами химического выветривания является Н₂О, О₂, Н₂СО₃, органические соединения кислотного типа. Чем больше физическое выветривание, тем больше химическое или биохимическое выветривание.

Гидратация – присоединение воды (чаще к минеральным окислам).

Fe₂O₃ (гематит ) + H₂O = 2 FeO (OH) (гетит)

FeO(CO) гетит + H₂O = Fe₂ O(OH)₂ (гидрогетит)

Fe₂O(OH)₂ гидрогетит + H₂O = 2 Fe(OH)₃ H₂O лимонит

Окисление Fe и S и последующая гидратация соединений сопровождается образованием гидратов окиси Fe и сернокислых солей.

2Fe S₂ + 7 О₂ + 2 Н₂О = 2 FeО₄ + 2 Н₂ SО₄ окисляется S

Fe SО₄ + О₂+ Н₂О = Fe(ОН₃) + Н₂ SО₄ окисляется Fe²⁺→ Fe³⁺

Разложение (гидролиз) это реакция замещения оснований ионом Н⁺ с гидратацией промежуточных и конечных продуктов распада. Источником Н является Н₂ СO₃ и органические кислоты, растворенные в воде.

CaAl₂Si₂O₈(анортит) + Н₂SО₄  + 4H₂O = H₂AL₂Si₂O₈H₂O(каолинит)+ CaSО₄(гипс) + 2 H₂O

При возд. Н₂ SО₄ на другие силикаты образуются другие сернокислые соли: мирабилит Na₂SO₄×10 H₂O, глауберит Na₂SO₄×Са SO₄, тенардит Na₂SO₄ и т.д.

Глинка (1906) показал, что в результате стадийного преобразования калевые полевые шпаты и слюды сначала преобразуются в слюдоподобные кислые соли и на конечном этапе при условии свободного удаления подвижных продуктов и подкисления среды образуется каолинит.

Органические кислоты и Н₂СO₃ в почвах образуются благодаря жизнедеятельности организмов - лишайников, бактерий, водорослей. Они образуются и при разложении органических веществ. Поэтому химическое выветривание правильнее называть биохимическим.

Вторичные минералы

Вторичные минералы представлены алюмосиликатами (глинистыми минералами), окислами (аморфными и окристаллизованными) и солями.

 

Алюмосиликаты отличаются:

- небольшим размером (диаметр кристаллов измеряется мкм и долями мкм);

- наличием коллоидных свойств: имеют заряд (преимущественно отрицательный), сорбционные свойства по отношению к катионам, могут переходить в состояние золя и геля;

- некоторые сильно набухают;

- относятся к группе алюмосиликатов (двух-, трех-, четырехслойных) SiO₂/Al₂O₃ = 2-5;

- гидратированы.

Алюмосиликаты подразделяются на группы монтмориллонита, гидрослюды, каолинита, хлорита, смешаннослойных минералов.

 

Монтмориллонитовая группа минералов

Наиболее типичными представителями этой группы являются монтмориллонит m×Mg₃(OH)₂[Si₄O₁₀]×n×(Al,Fe)₂[Si₄O₁₀]×pH₂O, бейделлит (А1₂0₃SiO₂ nH₂O) и нонтронит - железистая разновидность монтмориллонита. Кроме указанных в формулах элементов, в монтмориллоните содержится около 4% МgО, а также различные поглощенные (обменные и необменные) катионы. Монтмориллонит, бейделлит и нонтронит – трехслойные минералы. Основой кристаллохимической структуры минералов монтмориллонитовой группы являются кремнекислородный тетраэдр и алюмогидроксильный октаэдр (рис. 4), образующие трехслойные пакеты, соединенные между собой катионами К, Mg, Ca, H₃O.

                                                                       - кремнекислородный тетраэдр

         

                                                                        - алюмогидроксильный октаэдр

 

K, Mg, Ca, H₂O

 

                                                                           

         

 

 

Рис. 4. Кристаллохимическая структура трехслойных алюмосиликатов.

Часть Si в тетраэдрах замещена Al, часть Al в октаэдрах замещена Fe и Mg. Отношение SiO₂/Al₂O₃ сильно варьирует.

Минералы монтмориллонитовой группы образуются из слюд, основных изверженных пород, а также синтезируются из продуктов разрушения разных минералов в щелочной среде, богатой Ca и Mg. Кристаллическая решетка монтмориллонита подвижна, в межпакетные пространства может входить вода.

Гидрослюды включают такие минералы, как гидромусковит (иллит) КА1₂[Si,Аl)₄O₁₀](OH)₂nH₂O, гидробиотит K(Mg,Fe)₃[Al,Si)₄O₁₀](OH)₂nH₂O,гидрофлогопит, глауконит. Они, также как монтмориллонит, относятся к трехслойным минералам с многочисленными аморфными замещениями. Решетка гидрослюд стабильная, не набухающая. Она не расширяется от воды. Гидрофильность, связность, липкость, набухание гидрослюд значительно меньше, чем монтмориллонита. Минералы этой группы встречаются почти во всех почвах и составляют, как правило, значительную часть  илистой фракции. Источником образования гидрослюд являются главным образом слюды (мусковит, биотит), в которых часть калия и магния замещается на гидратированный ион водорода. Кроме того, гидрослюды могут образоваться синтетическим путем из продуктов распада полевых шпатов, слюд и др. Входящие в состав гидрослюд калий и магний довольно хорошо усваиваются растениями, поэтому почвы, богатые гидрослюдами, как правило, обеспечивают калийное и маг­ниевое питание растений.

Из трехслойных минералов в почвах довольно часто, но в небольших количествах встречают­ся вермикулиты. Отличие их от гидрослюд состоит в том, что вермикулит имеет решетку, расширяющуюся от воды и полярных ор­ганических жидкостей. По способности к набуханию, высокой гидра­тации, емкости поглощения катионов (около 100 мг-экв/100 г) верми­кулиты сходны с монтмориллонитом, от которого они отличаются более высоким содержанием магния и железа. Вермикулиты образуют­ся главным образом из биотита и гидрофлогопита. Вермикулиты бо­гаты магнием, микроудобрениями, иногда калием.

Каолинитовая группа минералов

Главнейшими представителями этой группы являются каолинит А1₂[Si₂0₅](ОН)₄ и галлуазит А1₂[Si₂0₅](ОН)₄∙4H₂O. Оба минерала имеют двухслойную кристаллическую решетку (рис.5).

 

 

                                                                           

         

Рис. 5. Кристаллохимическая структура двухслойных алюмосисликатов.

 

Отличие каолинита от галлуазита состоит в том, что он содержит меньше воды и имеет ста­бильную ненабухающую кристаллическую решетку. Галлуазит более гидратирован и имеет расширяющуюся решетку. Каолинит и галлуазит довольно часто встречаются в почвах одновременно, но, как пра­вило, в небольших количествах, за исключением ферраллитных почв, где он является основным глинистым минералом. Отношение SiO_/Al₂O₃=2. Емкость поглощения низкая (20мг-экв./100г.п.). Образуется при выветривании полевых шпатов, слюд с в условиях выноса К, Na, Ca, Mg и части SiO₂. Условиями, благоприятствующими образованию каолинита, является: обилие просачивающихся через почву осадков, большой возраст почв, кислая реакция.

Вследствие различий в структуре и повышенной дисперсности галлуазит обладает более высокой емкостью поглощения катионов (25-30 мг-экв/100 г) и фосфат-ионов, большей связностью и гидрофильностью, чем каолинит. Минералы группы каолинита содержат мало кальция, калия и магния, поэтому почвы, богатые каолинитовыми минералами, обычно нуждаются в минеральных удобрениях, в том числе калийных, магниевых и кальциевых.

Среди глинистых минералов в почве часто встречаютсяхлориты. Это группа слюдоподобных минералов подкласса слоистых силикатов характерно отсутствие натрия, калия, кальция. Кристаллическая решетка их четырехслойная ненабухающая.

При гидролизе алюмосиликатов освобождается SiO₂ тетраэдров. Часть выносится, а часть осаждается в виде гелей SiO₂×nH₂O, при высыхании образуется опал, далее при кристаллизации образуется халцедон. Новообразования аморфного SiO2·n H2O обычны в коре выветривания и в почве и имеют белесую окраску.

Разрушаются и алюмогидроксидные октаэдры, при этом освобождаются аморфные гидроокислы алюминия: Al₂O3· nH₂O.

При совместном осаждении SiO₂·nH₂O и Al₂O3·nH₂O образуются аллофаноиды с варьирующим отношением SiO₂/Al₂O₃ и неопределенным содержанием Н₂O. Кристаллизация аллофаноидов приводит к образованию вторичных каолинита, монтмориллонита и других минералов.

Кристаллизация гидрооксидов алюминия Al₂O₃·nH₂O в чистом виде ведет к образованию гидраргиллита, гиббсита Al(OH)₃ и далее бемита                                                                    AlO(OH). Это типичные минералы продуктов выветривания и почв влажных субтропиков и тропиков.

При выветривании Fe-содержащих силикатов – авгитов, роговых обманок, оливина освобождаются гидрооксиды Fe, которые, по мере кристаллизации и потери воды, образуют лимонит, гидрогетит, гетит и вторичный гематит. Имеют яркий цвет.

При выветривании Mn-содержащих минералов образуются пиролюзит MnO₂, псиломелан (m MnOnMnO₂·pH ₂O).

Освобождающиеся при выветривании первичных минералов Ca, Mg, K, Na соединяются с СO₃^- и образуют карбонаты.

СaAl₂Si₂O₈ + H₂CO₃ + 2H₂O → H₂Al₂Si₂O₈·2H₂O + CaCO₃                                

                                               каолинит             кальцит

При выветривании калиевых полевых шпатов и кислых натриевых плагиоклазов образуются сода Na₂CO ₃·10H ₂O, поташ K₂CO ₃·H ₂O.

При выветривании Ca, Mg - содержащих минералов образуется доломит (Ca, Mg) CO₃.

К аморфным минералам и веществам относятся окислы железа, алюминия и марганца, аморфный кремнезем, аллофаны, вулканические стекла. Источником аморфных окислов являются различные минералы и растворы. Аморфных веществ обычно в почве очень мало, однако их значение в формировании почвенного профиля очень велико. Гидроокиси железа часто окрашивают профиль почв в бурые и ох­ристые тона. Аллофаны принимают участие в поглощении катионов и фосфатов, оказывают влияние на липкость и связность почв, увеличивают их гидрофильность.

 Минералы-соли.

В засоленных почвах всегда присутствуют карбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты кальция, магния, натрия, калия. В незаселенных почвах также могут присутствовать названные соли в небольших количествах или в значительном количестве, но в глубоких горизонтах профиля. Соли образуют различные минералы: кальцит СаСОз, гипс СаS0₄∙2Н₂0, доломит СаМg(СОз)₂, мирабилит Nа₂S0₄∙10 Н₂0 галит или хлористый натрий NаС1, натриевую селитру NаNО₃. Как показывает химический состав солей, они служат источником питания растений кальцием, магнием, азотом, серой.

 В сухой почве подобные минералы образуют кристаллы, которые при увлажнении частично или полностью растворяются, в зависимости от природы соединения. Если в растворе образуется высокая концентрация солей (1-2%), то они оказывают неблагоприятное воздействие на растения. Наиболее вредны соли, которые при растворении создают сильнощелочную реакцию, например, углекислый натрий или сода, и содержащие ионы хлора, например, хлористый натрий. Некоторые соли оказывают положительное влияние на почву и их используют в качестве мелиорирующих средств. Например, углекислым кальцием известкуют кислые почвы, гипсом улучшают свойства солонцов. Незначительные количества медных, кобальтовых, цинковых, марганцевых солей применяют для удобрения почвы микроэлементами.

По степени устойчивости вторичные минералы образуют следующий ряд:

1. Гипс ( CaSO₄·10 H₂O), галит (NaCl), мирабилит (Na ₂SO₄) и др. соли.

2. Кальцит (CaCO₃),арагонит Ca[CO₃], доломит [Ca, Mg] (CO₃)₂

3. Хлорит, нонтронит

4. Иллит, гидромусковит, серицит

5. Вермикуллит

6. Монтмориллонит, бейделлит

7. Вторичный диоктаэдрический хлорит.

8. Аллофаны, каолинит, галлуазит

9. Бемит, гиббсит

10. Гематит, гетит, лимонит, лепидокрокит

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: в ходе пояснения и ведения лекции преподаватель использует программу, где показывает интересные фотографии, схемы, таблицы и диаграммы по содержанию гумуса в различных почвах.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое первичные минералы?

2. Что относят к первичным минералам?

3. Что относят к вторичным минералам?

4. Как подразделяются вторичные минералы по степени устойчивости?

 

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

4. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

 

Дополнительная:

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

4. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

5. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

6. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания 

 

Название темы 6: Химический состав почв

Цель лекции: Изучить химический состав почв

Ключевые слова: перегной, гумус, органическое вещество, минеральная часть, детрит, свойства, состав, структура и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Химический состав почв и почвообразующих пород

2. Формы соединений химических элементов в почвах и их доступность растениям

3. Микроэлементы почв

 

Химический состав почв и почвообразующих пород

Почва на 80-90% состоит из минеральных, на 10-20% – из органических веществ. Минеральная часть почвы в основном состоит из O и Si. Затем в убывающем порядке идут: Al, Fe, Ca, K, Na, Mg. Эти 8 элементов в сумме составляют 99% мине­ральной части почв и почвообразующих пород. Повышенное содержание имеют: Ti, P, Mn, S, Cl, H, C, которые также относятся к макроэлементам. Очень незначитель­ная часть почвы приходится на микроэлементы: Cu, Zn, Mo, B, Pb и др.

В органической части почвы содержатся: C, N и частично H, S, P.

Химический состав является одним из основных факторов почвенного плодородия. Каждый элемент играет определенную физиологическую роль в жизни растений. Недостаток N, P, K, Ca, Mg резко снижает урожайность всех растений, недостаток Fe – хлороз, йода, марганца - заболевание животных и человека; онкологические заболевания людей появляются при избытке тяжелых металлов.

Диагностику степени обеспеченности растений элементами питания проводят не по валовому количеству, а по количеству доступных (растворимых в воде и в слабых растворах кислот и щелочей), подвижных и обменных формах.

Почва - чрезвычайно сложный природный объект, характеризующийся большим разнообразием химических элементов и их соединений. Она формируется под непосредственным влиянием литосферы, атмосферы, гидросферы и живых организмов и в той или иной степени наследует их химический состав, в то же время приобретал и индивидуальные особенности.

По содержанию химических элементов почва илитосфера имеют много общего. Как в почве, так и в литосфере преобладают кислород и кремний, которые в сумме составляют 75...82%. За ними следуют алюминий и железо (11…14%). Еще меньшую долю составляют кальций, магний, натрий и калий. На все остальные элементы, за исключением углерода, приходится около 1%.

В то же время и почве по сравнению с литосферой содержится в 20 раз больше углерода и в 10 раз азота, что связано с деятельностью живых организмов и аккумуляцией в почвенном профиле органического вещества. Кроме того, в почве больше кислорода, водорода (как элементов воды) и кремния, но меньше железа, алюминия, кальция, натрия, магния, калия и других элементов которые мигрируют в процесса выветривания и почвообразования.

В результате проведения полного химического анализа почвы установлено, что в ней присутствуют практически все элементы таблицы Менделеева. Однако не все элементы имеют существенное значение при сравнительной характеристике химического состава различных почв.

По абсолютному содержанию в почвах все элементы объединяют в несколько групп. Первая группа включает элементы, содержаниекоторых составляет от десятых долей до десятков процентов. Вэту группу входят кремний, кислород, алюминий, железо, углерод, кальций, магний, натрий и калий. Это типичные макро- элементы. В следующую группу входят титан, водород, азот, фосфор и сера. Их количество колеблется от десятых долей до сотых долей процента, и они составляют группу, переходную к микроэлементам. К микро- и ультрамикроэлементам относят никель, марганец, мель и др. Они содержатся в почвах в количествах n×10^-3-n×10^-10%.

Валовой состав минеральной части почвы выражают в виде процентного содержания оксидов макроэлементов и переходных элементов на прокаленную бескарбонатную навеску. Эти данные отражают характер преобразования почвообразующей породы и дифференциацию почвенного профиля во химическому составу в процессе почвообразования.

Разнос содержание кремния, железа, алюминия, серы и других элементов связано с различиями в составе исходных почвообразующих пород, на которых образовались почвы, а также с трансформацией и миграцией веществ в процессе почвообразования. Во влажном и теплом тропическом климате активно протекает процесс десиликации, сопровождающийся высвобождением кремнезема из почвенных силикатов с последующим выносом его вместе с основаниями. Железо ц алюминий. находясь вблизи своей изоэлектрической точки, нерастворимы и накапливаются в почвенном профиле (ферраллитная почва). В аридных условиях подвижность большинства элементов невысокая и продукты почвообразования почти не выносятся из почвенного профиля (серо-бурая почва). Между этими крайними вариантами существуют почвы с иным содержанием химических элементов. По- этому химический состав почв отличается большим разнообразием. Это связано с климатическими условиями, определяющими интенсивность выветривания и развитие почв, составом пород, на которых формируются почвы, характером растительности, обогащающей почву органическим веществом, и рельефом, способствующим перераспределению продуктов выветривания и почвообразования.

---

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 34; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!