Твёрдые фазы почв (1968 год)

Твёрдые фазы почв (1968 год) - часть 2

Образование и структура вторичных минералов

Как уже было сказано выше, первичные минералы, неустойчивые в термодинамических условиях земной поверхности, подвергаются здесь выветриванию. Измельченные под влиянием физических факторов выветривания (колебания температуры, ветер, движущая сила воды), в дальнейшем они подвергаются воздействию в основном химических и биологических факторов, изменяющих их состав и внутреннюю структуру. Поскольку выветривание прежде всего затрагивает поверхность минералов, то чем мельче их частицы и, следовательно, чем больше суммарная поверхность, тем интенсивнее идет процесс выветривания.

Важнейший фактор химического выветривания в почвах — вода, удерживаемая рыхлой почвенной массой. Существеннее значение имеет также присутствие в почве кислорода и углекислоты, являющейся продуктом жизнедеятельности почвенного населения. Насыщение углекислотой придает воде кислую реакцию и усиливает ее разрушительное действие на минералы. Кроме углекислоты, продуктами жизнедеятельности организмов в почве служит ряд минеральных и органических кислот (азотная, серная, лимонная, щавелевая, гумусовые), также играющих важную роль в процессе изменения почвенных минералов. Основными реакциями при этом являются: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление.

Гидратация представляет собой притяжение молекул воды к поверхности минералов. Вследствие нелинейности молекул Н2О электрические центры тяжести ее заряженных частиц (2Н⁺ и О2^-)

не совпадают, благодаря чему Н2О представляет собой диполь. Встречая заряженную частичку — ион, молекула воды притягивается к ней тем концом, который несет заряд, противоположный заряду иона. Почвенные минералы несут на своих поверхностях ионы, раньше находившиеся внутри кристаллической решетки и оказавшиеся снаружи в результате измельчения, крошения кристалла. Такие ионы несут некоторый заряд, который до измельчения компенсировался связями решетки. Благодаря этому заряду они притягивают диполи воды и сами до известной степени притягиваются, оттягиваются ими. Таким образом, гидратация приводит к разрыхлению поверхности минерала, что облегчает в дальнейшем его взаимодействие с окружающим водным раствором.

Реакции гидролиза приводят к замене катионов кристаллической решетки на Н-ионы воды. Схематически эту реакцию для полевого шпата можно изобразить следующим уравнением:

Следует отметить, что участие организмов наблюдается уже на самых ранних стадиях выветривания. Так, наблюдения за первыми стадиями почвообразования на кристаллических породах (гра-нито-гнейсе) Ильменского заповедника показали, что деятельность литофильных лишайников выражается как в механическом разрушении, так и в химической переработке минералов породы, «причем процессы эти протекают одновременно и в тесном синхроническом взаимодействии» (Б. Б. Полынов, 19566).

Как уже отмечалось выше, наибольшей устойчивостью к выветриванию обладает кварц, для которого большинство описанных реакций не имеет места; однако и он подвергается в некоторой степени гидратации.

При полном разрушении силикатов, алюмо- и феррисиликатов образуются простые продукты выветривания: гидраты окислов железа, алюминия, двухвалентных и одновалентных оснований, гидрат окиси кремния (кремневая кислота) и некоторые другие кислоты: угольная, серная, соляная, азотная, фосфорная, образующиеся при окислении элементов, содержащихся в горных породах (S, Р, Сl) или в атмосфере (N, С).

Одновременно с разрушением первичных минералов в процессе выветривания образуются вторичные минералы, разнообразные по сложности структуры. Кремнекислота, освободившаяся при выветривании, частично переходит в состояние золя (чему способствует слабощелочная реакция почвенного раствора), частично при слабокислой реакции выпадает в виде геля, но составу соответствующего формуле SiО2-nH2O. В дальнейшем аморфный кремнегель, теряя воду, может закристаллизоваться и образовать вторичный кварц. Кроме того, часть кремнекислоты дает с основаниями соли (особенно при щелочной реакции); натриевая и калиевая соли кремнекислоты растворимы в воде и могут быть вымыты из почвы. Как в коллоидном, так и в истинно пястворенном состоянии кремнекислота может вступать во взаимодействие с полутораокисями, образуя при этом новые сложные соединения. Аморфные минералы, содержащие SiО2 и R2O3 в разных соотношениях, носят название аллофанов.

Основания, освободившиеся при выветривании, образуют с кислотами простые соли, представляющие собой также вторичные минералы: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты, силикаты, в разной степени растворимые, благодаря чему многие из них могут накапливаться в заметных количествах лишь в условиях сухого климата.

1) При высокой щелочности образуется растворимый алюминат К или Na, но это встречается редко.

Рис. 5. Схема структуры каолинита (по Чухрову)

Для более ясного представления о строении каолинита на рис. 5 дано схематическое изображение отдельных слоев кристаллической решетки (в проекции на плоскость, перпендикулярную к плоскости рис. 6) с соблюдением относительных размеров ионов, как его приводит В. Лаатш (W. Laatsch, 1957). Рис. 6, а представляет слой гидроксильных ионов октаэдров, плотно

Кроме вторичных минералов простого состава, в результате выветривания образуются вторичные алюмо- и феррисиликаты, широко распространенные в почвах. Эти минералы носят название «глинных» (Широко употребляется и другой термин: «глинистый» минерал; однако он не соответствует существу понятия. «Глинистый» означает «состоящий из глины, содержащий глину». Между тем в данном случае речь идет о минералах, из которых состоит глина. Это — понятие, вытекающее из новейших исследований; для него в словаре нет эквивалента. Поэтому целесообразно применение нового слова —«глинный» минерал (=английскому clay mineral).), так как являются важнейшей составной частью различных глин; все они отличаются высокой степенью дисперсности, т. е. состоят из очень мелких частиц. Общие их признаки: пластинчатое строение, аналогичное строению слюд, и наличие в их составе химически связанной воды. На других особенностях глинных минералов мы остановимся ниже.

Число глинных минералов очень велико, но в почвах наибольшее значение из них имеют минералы групп каолинита, монтмориллонита и гидрослюд.

Минералы группы каолинита имеют двухслойную кристаллическую решетку, состоящую из слоя кремнекислородных тетраэдров и слоя алюмо-кислородно-гидроксильных октаэдров; такие двухслойные «пакеты» чередуются в кристалле с промежутками, придавая ему пластинчатое строение (рис. 5).

В кремиекислородном слое вершины всех тетраэдров повернуты в одну сторону и являются «кислородными мостиками», связывающими тетраэдрический и октаэдрический слои: О2^- — одновременно связан с Si⁴⁺ и А1³⁺.

Рис. 6. Три слоя ионов в пакете каолинита (а, б, в) (по Лаатш)

соприкасающихся друг с другом. На рис. 6, б изображен следующий слой, в котором чередуются два кислородных и один гидроксильный ион; здесь же показано расположение ионов алюминия, занимающих в этой упаковке промежутки между верхним и нижним слоями так, что каждый маленький ион

Как видно из рис. 5, на котором схематически дана структура каолинита, в целом элементарная ячейка кристаллической решетки электро-нейтральна и соответствует формуле Al4Si4О10(OH)8 или Al2Si2О5(ОH)4; но боковые поверхности кристаллов, обнажающиеся при разламывании пакетов, имеют ненасыщенные валентности, что вызывает адсорбцию ионов из окружающего раствора (более детально это явление будет рассмотрено ниже). Следует отметить, что каолинит не впитывает воду в межпакетные пространства и, вследствие этого, не обладает способностью набухать. Расстояние между пакетами каолинита равно 7,2 А и является постоянным.

Рис. 7. Схема структуры монтмориллонита (по Чухрову)

К минералам типа каолинита (с двухслойной кристаллической решеткой и диоктаэдрическим строением) относятся, кроме каолинита, галлуазит и метагаллуазит, а также диккит и накрит. Галлуазит отличается от каолинита наличием воды, входящей

Среди глинных минералов в почвах большое место принадлежит минералам группы гидрослюд, в которую входят гидромусковит (иллит), гидробиотит и другие гидратизированные разновидности

слюд. Иллит по своей структуре близок к мусковиту, отличаясь от

этой слюды меньшим содержанием калия и большим содержанием воды. Структура иллита подобна структуре монтмориллонита, с той лишь разницей, что в его кристаллической решетке имеются многочисленные изоморфные замещения:

Рис 8

К гидрослюдам близок минерал вермикулит. Между пакетами его трехслойной кристаллической решетки находится двойной слой молекул воды, образующих не вполне упорядоченную гексагональную сетку вокруг металлического катиона, чаще всего — магния. Структурная формула вермикулита

Вермикулиты образуются из слюд: биотита (через гидробиотит), флогопита; при переходе слюд в вермикулит происходит потеря калия и натрия при значительном накоплении магния .
( Мощные месторождения вермикулита разведаны в ряде мест нашей страны: на Кольском полуострове (Ковдорское), на Украине, на Урале, в Сибири, в Приморье. Лишь в Ковдорском массиве запасы минерала измеряются десятками миллионов тонн. Свойства вермикулита делают весьма перспективным его применение в сельском хозяйстве; он может быть использован в качестве магниевого удобрения (Кораблева, 1965); благодаря высокой влагоемкости обожженного вермикулита его можно применять в качестве субстрата в гидропонике — при выращивании растений без почвы (Переверзев, 1965).

Среди вторичных глинных минералов необходимо упомянуть хлориты, которые по условиям образования могут быть и первичными минералами. Кристаллическая решетка хлоритов состоит из чередования слоев слюдяного и бруситового типов.

В почвах встречаются также смешанно-слоистые минералы, в кристаллической решетке которых чередуются октаэдрические и тетраэдрические слои разных минералов: монтмориллонита с иллитом, каолинита с мусковитом, вермикулита с хлоритом и др.

Современные представления о кристаллической структуре глинных минералов, кратко изложенные выше, представляют собой достижение последних десятилетий, основанное на применении таких новейших методов исследования, как термический, рентгенографический, электроннографический, электронномикроскопический, инфракрасной спектрометрии и др. Еще двадцать пять — тридцать лет тому назад в науке преобладали взгляды на высокодисперсные минеральные соединения почвы как на аморфные вещества, являющиеся продуктом взаимной коагуляции коллоидов полуторных окислов и кремнекислоты, образовавшихся в результате выветривания, состав и свойства которых зависят от условий их образования.

Если строение вторичных минералов — кристаллических и аморфных — в большой мере выяснено, то еще многое неясно в процессах их образования.

Происхождение вторичных минералов, присутствующих в почвах, двояко: они могут быть унаследованы от материнских пород, т. е. процесс их возникновения предшествовал современному почвообразованию, или образовались в почвах, где непрерывно с той или иной степенью интенсивности идет процесс разрушения (выветривания) первичных минералов и образования вторичных.

В общих чертах можно различать два пути возникновения вторичных минералов. Первый путь представляет собой синтез из конечных продуктов выветривания (истинно растворенных или коллоидных) при их взаимодействии и последующей кристаллизации. Образование вторичных минералов путем кристаллизации аморфных веществ наблюдалось многими исследователями в полевых и лабораторных условиях: гетита из гидроокислов железа, гиббсита из гидроокислов алюминия, вторичного кварца из опала и т. п. Вполне вероятна также реакция между полуторными окислами, и кремнегелем; продукты этого взаимодействия, постепенно кристаллизуясь, образуют вторичные глинные минералы. Рядом исследова-телей (Антипов-Каратаев и Кадер, 1956; Энен и его сотрудники во Франции — Henin, 1954) многие вторичные минералы были получены в лабораторной обстановке в условиях температуры, влажности и давления, близких к условиям земной поверхности, за счет синтеза их из истинно или коллоидно растворенных компонентов или продуктов разрушения первичных минералов.

Возникновение вторичных минералов может идти и другим путем — путем постепенного изменения первичных минералов, которое приводит к новым формам кристаллических решеток.

Превращение первичных минералов во вторичные (в соответствии с характером сочетания факторов выветривания и почвообразования) происходит примерно через такие стадии:

Возможны и отклонения от этой схемы, отмеченные стрелками, например полевые шпаты могут превратиться в монтмориллонит или каолинит, минуя промежуточные стадии.

Выше уже отмечалось образование вермикулита из слюд через стадии: биотит--> гидробиотит---> вермикулит. Предложен ряд схем стадийного превращения первичных минералов во вторичные в процессе выветривания.

Химически выветривание выражается в стадиях: 1) гидратации силиката; 2) окисления закиси железа; 3) постепенного гидролиза— уменьшения содержания щелочей и замены их водородным ионом; 4) перехода А1 из четверной координации в шестерную; 5) частичного выноса кремнезема (И. И. Гинзбург и И. А. Рукавишникова, 1951).

Рис. 9. Превращение монтмориллонита в каолинит и в гиббсит (по Лаатш): а — слой Si-тетраэдров, б — слой А1-октаэдров

Достаточно ясно образование вторичных минералов из первичных, имеющих слоистую или цепочечную структуру, как слюды, амфиболы.

Отслоение одного тетраэдрического слоя у монтмориллонита приводит к образованию каолинита; при этом кислороды «кислородных мостиков» замещаются гидроксилами. В известных условиях среды (более или менее кислой) каолинит может образоваться непосредственно из гидрослюды, минуя стадию монтмориллонита. Расщепление каолинита, происходящее при присоединении воды, дает гиббсит и SiО2. Схема превращения монтмориллонита показана на рис. 9.

Сложнее представить себе образование глинных минералов из полевых шпатов, имеющих каркасную структуру. Сделаны предположения (Б. П. Градусов, 1964), что выветривание полевых шпатов приводит к полному разрушению кристаллической решетки до гидроокисей Si, Fe, А1 с последующим синтетическим образованием глинных минералов:

Полуторные окислы освобождаются при разрушении первичных и вторичных минералов. В результате кристаллизации, которой способствуют высушивание, замерзание, окислительные условия, образуются гетит и гиббсит

( В работе Бернизл и Рич (Barnhisel a. Rich, 1963) установлено образование гиббсита в алюминиевых прослойках (т. е. октаэдрических слоях) монтмориллонита; при этом гиббсит в системе монтмориллонита образуется в условиях кислой реакции, тогда как в отсутствии глины для образования гиббсита необходима нейтральная или щелочная среда.)

По мнению И. И. Гинзбурга и И. А, Рукавишниковой (1951), случаи синтетического образования глинных минералов встречаются так же часто, как и образование их путем гидролитического расщепления (постепенного изменения), однако по площади распространения преобладают процессы гидролиза.

Стадии превращения минералов хорошо прослеживаются на профилях выветривания магматических пород. Так, в профиле выветривания гранита различаются: а) верхняя зона, состоящая из каолинита; б) средняя зона, содержащая наряду с каолинитом в разной степени гидратированные слюды, количество которых книзу увеличивается; в) нижняя дресва, где порода сильно разрыхлена, а количество полевого шпата значительно, причем замечается его замещение и разъедание слюдой; еще глубже зона дресвы переходит в неизмененную породу (И. И. Гинзбург и И. А. Рукавишникова, 1951).

Превращения первичных минералов во вторичные на ранних стадиях почвообразования на магматических породах были предметом ряда исследований.

Образование вторичных минералов изучалось на недавно излившейся магматической породе — лаве, состоящей из вулканического стекла с включением зерен полевых шпатов, пироксенов, иногда кварца (Н. И. Горбунов, 1962). Работа проводилась на двух вулканах в Северо-Восточной части Китая, находящихся на расстоянии нескольких километров друг от друга. Один из них (молодой) извергался 300 лет, другой (старый) — около 1000 лет назад. На молодом вулкане под растительностью, состоящей из лишайников.

образовалась тонкая прослойка мелкозема (1—5 мм) из обломков породы и вторичных минералов. На старом вулкане образовался короткий почвенный профиль (растительность — лиственный лес из березы и дуба). Минералогические и химические анализы показали, что в высокодисперсной фракции мелкозема (частицы <0,001 мм) с молодого вулкана содержались гидрослюды, монтмориллонит, аморфные вещества и отдельные кристаллы каолинита. Эти же минералы были найдены в почве на старом вулкане, но содержание каолинита увеличилось за счет уменьшения монтмориллонита. Гидрослюды присутствовали в большом количестве и на старом, и на новом вулкане; очевидно, гидрослюды переходили в монтмориллонит и каолинит, но одновременно вновь образовывались из первичных минералов.

Скорость разрушения первичных минералов так же, как скорость и механизм образования вторичных минералов, зависит от ряда условий. Помимо особенностей самого первичного минерала (его кристаллической структуры, степени дисперсности), а также сочетания его с другими минералами, характер изменений первичного минерала зависит от температуры и влажности, реакции среды (pH), условий дренажа (выноса продуктов выветривания); огромное значение имеет жизнедеятельность организмов.

Основные породы разрушаются быстрее, чем кислые; поэтому продукты выветривания основных пород (как элювий базальта) в большей мере обогащены каолинитом (одним из последних звеньев в цепи превращений), чем продукты разрушения кислых пород (как элювий гранита). Наиболее древние почвы, подвергавшиеся процессам выветривания и почвообразования в течение длительного времени, содержат относительного много минералов группы каолинита, а также гиббсита и гетита.

Сухой и холодный климат задерживает разрушение минералов,, теплый и влажный — ускоряет его. Условия промывного режима способствуют вымыванию щелочей, щелочноземельных оснований, кремнезема и, следовательно, образованию каолинита и галлуазита за счет гидрослюд и минералов группы монтмориллонита, содержащих больше оснований и SiО2, чем каолинит.
При промывном режиме годовое количество осадков превышает потерн воды из почвы путем испарения и использования растениями, и избыток влаги просачивается вниз через почву, промывает её.

Растения и микроорганизмы, в процессе жизни которых происходит постоянный обмен с почвенной средой (поглощение воды, питательных веществ, кислорода; выделение продуктов жизнедеятельности), вносят значительные изменения в состав и свойства почвенного раствора (его концентрацию, реакцию (pH), величину окислительно-восстановительного потенциала) и тем самым изменяют соотношения между жидкой и твердыми фазами почвы. Различные растительные ассоциации (растительность тундры, леса, степи и т. д.) имеют свои особенности воздействия на процессы превращения минералов.

Многие исследователи (Б. Б. Полынов, 1956; P. X. Айдинян, 1954; В. А. Ковда, 1956; Н. И. Базилевич, 1962; А. А. Роде, 1955) придерживаются мнения, что в почвах происходит синтез глинных минералов за счет зольных элементов питания растений, прошедших через растительные организмы. Механизм этого процесса, который, очевидно, связан с кристаллизацией продуктов взаимодействия гелей кремнезема и полуторных окислов, пока недостаточно ясен.

Наиболее четко влияние условий среды на состав вторичных минералов может быть прослежен в почвах, образованных на магматических породах. В работе И. Н. Антипова-Каратаева и И. Г. Цюрупа (1963), в которой состав вторичных минералов изучался в почвах, образовавшихся на гранитах в различных условиях климата и растительности, была установлена четкая зависимость от этих условий не только почвенного типа, но и состава вторичных минералов в почвах. Так, в каштановых и черноземных почвах, развитых на гранитах в условиях сухой степи, степи и лесостепи, вторичные минералы представлены группой монтмориллонита с участием гидрослюд; в зоне северной тайги подзолистые почвы на элювии гранита содержат минералы группы каолинита с примесью гидрослюд и аморфных гидратов полуторных окислов.

Однако, как уже отмечалось выше, первичные магматические породы лишь в редких случаях (главным образом в горных областях) являются материнскими породами для почв. Основная часть почвенного покрова СССР развилась на осадочных породах, в составе которых еще до наложения современного почвообразования содержались вторичные минералы. Это затрудняет выяснение зональных закономерностей в генезисе вторичных минералов.

содержание .. 1 2 3 4 ..