Твёрдые фазы почв (1968 год)

Твёрдые фазы почв (1968 год) - часть 1

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ТВЕРДЫХ ФАЗ ПОЧВЫ

Почва образуется в результате длительных процессов изменения материнских пород и содержит продукты выветривания этих пород и продукты разложения растительных и животных организмов. Взаимодействие минеральных и органических веществ при ведущем участии живых организмов создает сложный комплекс почвенных соединений, особенности которого в конкретных условиях тесно связаны с характером климата, рельефа и продолжительностью почвообразовательного процесса.

Для удобства изложения мы рассмотрим отдельно состав органической и минеральной частей твердых фаз почвы.

МИНЕРАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ПОЧВЫ

Материнские породы, их происхождение и состав

Породы, из которых состоит литосфера (твердая оболочка Земли), подразделяются по своему происхождению на три группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические (массивно-кристаллические) породы образуются при остывании расплавленной жидкой магмы, составляющей следующую за литосферой внутреннюю оболочку Земли. К магматическим породам относятся: граниты, сиениты, трахиты, порфиры, диабазы, базальты и др. Все эти породы имеют кристаллическое строение, более или менее выраженное в зависимости от условий остывания магмы. Если породы образуются в результате медленного охлаждения на большей или меньшей глубине (интрузивные, или глубинные, породы), они состоят из крупных хорошо различимых кристаллов (как, например, гранит). Если же магма достигает дневной поверхности, как это бывает при вулканических извержениях, и остывает быстро и неравномерно, то образующиеся породы (эффузивные, или излившиеся, породы) имеют вид плотной массы, иногда включающей отдельные крупные кристаллы (порфиры).

В зависимости от состава магмы и условий ее остывания магматические породы различаются между собой также по химическому и минералогическому составу. По содержанию кремневой кислоты (SiO2) породы делят на пять групп (табл. 1).

Таблица 1

Классификация магматических пород
(по Ф. Ю. Левинсону-Лессынгу)

Кислые породы, помимо большего содержания SiО2, отличаются от основных меньшим содержанием полуторных окислов, а также щелочноземельных оснований, что видно из табл. 2, где приведен химический состав гранита (в качестве примера кислой породы) и диабаза (в качестве примера основной породы). К и Na содержатся в граните в сравнительно больших количествах, чем в диабазе.

Магматические породы, составляя 95% литосферы, играют, однако, очень небольшую роль на земной поверхности. Они подвергаются здесь разнообразному воздействию физических, химических и биологических факторов, которые приводят первоначальные массивы к разрыхлению и химическому изменению. В дальнейшем измельченные продукты переносятся водой и ветром в более низкие части рельефа и в конечном счете осаждаются на суше или на дне морей и других водоемов. Поверхность Земли покрывается большей или меньшей толщей новых пород — осадочных, которые погребают под собой «фундамент», состоящий из кристаллических пород.

Таблица 2
Химический состав изверженных горных пород в %

(по Соколовскому, 1956)

В настоящую геологическую эпоху магматические породы выходят на дневную поверхность главным образом в горных областях (Кавказ, Урал); в некоторых местах они встречаются, кроме того, в виде небольших островков среди осадочных пород. Поэтому магматические породы или, вернее, ближайшие продукты их выветривания лишь в редких случаях являются материнскими породами для почв.

Метаморфические породы образуются из осадочных и магматических пород в результате воздействия на них высокой температуры и давления. К метаморфическим породам принадлежат разнообразные сланцы (глинистые, слюдяные, кремнистые); гнейсы; мраморы, образующиеся из известняков; кварциты, образующиеся из песчаников. Большинство этих пород, подобно магматическим, является древними геологическими образованиями и под влиянием сложных денудационных процессов в настоящее время покрыто осадочными породами. Метаморфические породы редко служат материнскими породами для почв, встречаясь главным образом в горных областях.

Осадочные породы, покрывая большую часть суши, являются главными почвообразующими породами.

Процессы выветривания магматических и метаморфических пород приводят к образованию целого ряда продуктов разной степени измельчения и различного химического состава. Часть их представляет собой результат механического дробления первоначальных пород или нерастворимые продукты их химических превращений; сюда относятся: брекчии, конгломераты, щебень, пески, песчаники, глины, илы и т. д., объединяемые под названием механических или обломочных пород. В некоторых случаях они бывают сцементированы растворимыми солями и образуют плотные породы (кремнистые, известковистые песчаники).

Растворимые продукты выветривания в виде хлоридов, сульфатов, карбонатов, фосфатов и других простых солей образуют такие породы, как каменная соль, гипс, известняк, доломит, известковые, кремнистые, железистые туфы, фосфориты; они возникают путем осаждения из растворов как морских, так и континентальных вод. Это породы химического происхождения.

Часть осадочных пород имеет органическое происхождение. На дне морей и других водоемов образуются осадки из скелетов отмерших организмов, состоящие из кремнекислоты, углекислой извести, фосфорнокислой извести. К таким органогенным породам относятся многие известняки, мел, трепел (радиоляриевая земля), кизельгур (диатомовая земля) и, по-видимому, некоторые фосфориты; сюда же должны быть отнесены торф и сапропели. К органогенным породам относятся также каменный уголь и нефть.

Глины составляют (по разным авторам) от 65 до 80%, более грубые обломочные породы — от 30 до 15%, химические и органогенные породы — 5% всех осадочных пород (Г. И. Теодорович, 1958).

Однако необходимо отметить известную условность деления осадочных пород по способу их происхождения. Б. Б. Полынов (1956) указывает: «Следует отказаться от представления о стерильном выветривании. Можно и должно различать механические и химические эффекты выветривания, но едва ли правильно разделять процессы выветривания на механические, химические и органические. Можно утверждать, что в природе не существует изолированного механического выветривания, не связанного с химическими изменениями, и, тем более, наоборот. Существование стерильного выветривания сомнительно даже для пустыни».

Распределение осадочных материалов на земной поверхности происходит под влиянием морей, текучих вод, ледников, ветра и несет на себе отражение геологической истории Земли (образование гор и денудация их, образование морей и поднятие морского дна).

Осадочные породы на дневной поверхности подвергаются дальнейшим процессам выветривания, темп и направление которых в большой мере зависят от условий рельефа, климата и жизнедеятельности организмов.

Из приведенного выше краткого перечисления осадочных пород видно, что состав и свойства их весьма разнообразны. Почвообразовательные процессы, возникающие в породе одновременно с поселением на ней организмов, вносят существенные изменения в характер материнской породы.

Т а б л и ц а 3

В табл. 3 приведен химический состав нескольких почв (горизонт А) и их материнских пород. Из данных этой таблицы отчетливо видна связь между составом почвы и породы. Так, богатство красноземной коры выветривания А12О3 и Fe2О3 сказывается и на содержании этих окислов в красноземе, наиболее высоком из всех приведенных почв; карбонатность серозема связана с высоким содержанием карбонатов в его материнской породе — лёссе. В то же время сравнение химического состава верхнего горизонта почв и материнских пород показывает и те изменения, которые произошли в почвах под влиянием почвообразовательных процессов. Наряду с накоплением органического вещества, являющимся отличительным признаком почв, произошли изменения и в составе минеральной части почвы по сравнению с породой — увеличение количества SiО2 и уменьшение количества А12О3 в дериово-иодзолистой почве, увеличение количества Р2О5 почти во всех почвах. Характер и размах этих изменений определяются характером и размахом почвообразовательных процессов, связанных с климатом, рельефом, растительностью, возрастом почв, различными в приведенных примерах.

Химический и минералогический состав минеральной части почвы

Химические элементы, входящие в состав литосферы (твердой оболочки Земли), представлены в ней далеко не одинаково. В табл. 4 приведен средний элементарный состав литосферы и почвы — самой верхней части литосферы на поверхности суши 1). Литосфера состоит по весу почти наполовину из кислорода (47,2%). Второе место занимает кремний, составляя четвертую часть литосферы — 27,6% по весу. За кремнием следуют алюминий и железо, в сумме составляющие более 13%. Кальций, натрий, калий и магний входят в следующую по количественному значению группу элементов; каждого из них находится в литосфере 2—3%. Все остальные элементы присутствуют в литосфере в количестве меньше 1 %, в том числе и важнейшие для питания растений элементы: углерод, водород, азот, сера, фосфор, марганец; еще меньше содержится в литосфере таких «микроэлементов», как медь, цинк, кобальт, бор, молибден и др. (табл. 4).
1 Исключение составляют лишь геологически молодые горные области, где неизменные магматические породы выходят на дневную поверхность.

Почвы значительно отличаются по своему среднему составу от среднего состава литосферы. В почвах имеют большее значение кислород и водород как элементы воды, отсутствующей в магматических горных породах; в почвах значительно больше, чем в среднем в литосфере, содержится углерода (в 20 раз) и азота (в 10 раз) благодаря тому, что почвы входят в биосферу и содержат органические вещества. В то же время Al, Fe, Са, К и Mg в почвах содержится меньше, чем в литосфере, причем каждого из этих элементов — по-разному, соответственно особенностям его поведения в процессе выветривания и почвообразования.

Таблица 4 Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах в весовых процентах (по Виноградову, 1950)

Мы видели выше, что почвы образуются на продуктах выветривания горных пород; процессы выветривания продолжают идти и в почвах при тесном взаимодействии с продуктами жизнедеятельности организмов. Состав почв находится в состоянии постоянного изменения, и почвенные соединения представляют собой не что иное, как отдельные звенья в цепи изменений.

Минералы, входящие в состав почв, делятся на две группы: первичных и вторичных минералов. Первичные минералы в своем происхождении связаны с магматическими и метаморфическими породами: измельченные под влиянием физических факторов выветривания, эти минералы в том или ином количестве присутствуют в почве в химически неизмененном виде. Вторичные минералы образуются из первичных в результате воздействия физических, химических и биологических факторов.

Соединения кремния, алюминия и железа, их структура

Наиболее распространенными первичными минералами в почвах являются минералы, включающие кислородные соединения кремния: кварц (окись кремния), полевые шпаты, амфиболы, пироксены и слюды (алюмо- и феррисиликаты). Эти же минералы составляют основную массу магматических пород (табл. 5).

Первичные минералы отличаются разнообразным химическим составом и кристаллической структурой, а в связи с этим и различной устойчивостью против выветривания. Остановимся на структуре соединений кремния.

Строение кристаллической решетки минералов в большой мере определяется объемом составляющих ее ионов или, принимая форму

ионов шарообразной, величиной их радиусов. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы, объем катионов и анионов определяет их взаимное расположение. Устойчивая структура образуется тогда, когда каждый катион соприкасается с окружающими его анионами.

Число ионов противоположного знака, окружающих данный ион, носит название координационного числа; величина его зависит от соотношения радиусов ионов (табл. 6) и определяет форму окружения, а следовательно, и характер элементарной ячейки.

Таблица 5 Средний минералогический состав магматических и осадочных пород в % (по Джеффрис (Jeffris), 1947)

Таблица 6 Радиусы ионов

Эти соотношения видны из нижеприведенных данных и на рис. 1.

В последнем случае тетраэдры соединяются друг с другом тремя вершинами и образуют гексагональную (шестиугольную) сетку в виде плоского слоя или листа непрерывной протяженности в двух направлениях; при этом ионы кислорода с одной свободной валентностью — активные ионы (по одному от каждого тетраэдра) — направлены все в одну сторону, образуя особый активный лист, с помощью которого каждый слой связан с другими слоями. Это строение придает слюдам пластинчатость.

Рис. 1. Различные типы координации катионов и анионов (справа, в графе «Форма окружения», изображены фигуры, получающиеся при проведении плоскостей через центры ионов О2^-) (по Бетехтину)

Рис. 2. Формы отдельных кремнекислородных групп

Если кремнекислородные тетраэдры соединяются между собой так, что каждый из четырех ионов кислорода принадлежит двум тетраэдрам, то получаются структуры, непрерывные в трех измерениях и совсем не имеющие активных кислородных ионов. Такую структуру, отвечающую формуле (SiО2)n, имеет кварц; она отличается большой прочностью.

Рис. 3. Кремнекислородные структуры: а — цепочка типа пироксена, б — цепочка типа амфибола, в — лист типа слюды

Из рис. 4 видно, что не все центры октаэдров заняты А1³⁺, а лишь 2/3 их. Это объясняется следующим образом: трехвалентпый А1, соединяясь с шестью одновалентными ионами ОН, на соединение с каждым из них тратит 1/2 валентности. Следовательно, для того чтобы полностью была насыщена валентность гидроксильного иона (ОН), он должен соединиться с двумя ионами Аl, что и имеет место при строении кристалла, изображенном на рис. 4, а и носящем название диоктаэдрического. Наличие свободных мест в кристаллической решетке, так называемых октаэдрических пустот, имеет

большое значение в ряде случаев, как мы увидим в дальнейшем.

Рис. 4. Схематическое изображение октаэдрических решеток (по Бетехтину):

Если Mg²⁺ (или Fe²⁺) замещает А1³⁺ в октаэдрической структуре, то он занимает благодаря своей меньшей валентности все возможные позиции в решетке (рис. 4, б). Каждый гидроксильный ион оказывается связанным с тремя ионами Mg²⁺, который, будучи в октаэдрическом положении, т. е. окруженный шестью ионами гидроксила, связан с каждым из них 1/3 валентности; такое строение кристаллической решетки называется триоктаэдрическим.

В структуре слюд слои алюмогидроксилкных октаэдров (ОН^-

частично замещен в них на О^2-) чередуются со слоями кремнекислородных тетраэдров.

Значительное распространение в породах и почвах имеют: мусковит (белая калийная слюда) и биотит (темноцветная железистомагнезиальная слюда), а также флогопит (магнезиальная слюда). Структура, аналогичная структуре слюд, характерна для ряда вторичных минералов, к чему мы вернемся ниже.

содержание .. 1 2 3 ..