Минералы твердой фазы почвы

Известно, что многие важные физические, химические и биологические свойства почвы и в целом лесорастительный эффект обусловлены минеральным составом почвообразующих пород и почв. Минеральная часть обычно составляет до 55 – 60% объема и до 90 – 97 % веса почвы. По своему происхождению и составу почвенные минералы, прежде всего, связаны с минералами магматических и осадочных горных пород, на которых происходит почвообразование.

Минералогический состав почв представлен первичными минералами (полевые шпаты – 59,5%, кварц – 12%, амфиболы и пироксены – 16,8%, слюды – 3,8%, прочие – 7,9%) и вторичными продуктами почвообразования – растительные остатки, продукты разложения растительных остатков и вторичные минералы (соли – кальцит, магнезит, гипс, галит, фосфаты, нитраты и т.д., гидроокиси кремния, алюминия, железа, марганца, вторичные алюмосиликаты, группа монтмориллонита, каолинита, гидрослюд).

Таблица 8 - Характеристика распространенных вторичных минералов горных пород, почв и почвогрунтов (по группам)

№№ пп	Название минерала	Происхождение	В состав каких горных пород и почв входит	Химическая формула	Наиболее характерные признаки и свойства

Минералы, слагающие почвы и почвообразующие породы, делятся на 3 основные группы:

1. Первичные минералы, представленные главным образом скелетными и крупнопесчаными частицами, т.е. продуктами механического выветривания изверженных и метаморфических пород.

2. Вторичные глинные минералы и окислы, представленные глинистыми и коллоидными частицами – продуктами выветривания или синтеза соединений, освободившихся при выветривании и почвообразовании.

3. Растворимые минералы (соли, которые при большой влажности полностью или частично растворены, а в сухих условиях переходят в твердую фазу почвы.

Соотношение первичных и вторичных минералов варьирует в широких пределах и зависит от степени устойчивости исходных почвообразующих минералов, условий выветривания и транспортировки выветренного материала.

Относительное содержание первичных минералов уменьшается от щебнистых и песчаных наносов к суглинистым и глинистым. Последние, почти целиком, сложены вторичными минералами. Относительное содержание первичных минералов уменьшается также по мере увеличения возраста продуктов выветривания и почв. В большинстве почв первичные минералы преобладают над вторичными. Исключение составляют латериты, красноземы, слитые почвы, в которых первичных минералов часто по весу меньше, чем вторичных.

Общее число минералов, содержащееся в почвах и почвообразующих породах, исчисляется сотнями, но наиболее часто встречается 50…60 минералов.

Первичные минералы, составляющие твердую фазу почв, являются остаточным материалом после разрушения и выветривания массивно-кристаллических пород. Первичные минералы, находящиеся в почвах, представлены преимущественно частицами размером > 0,001 мм, вторичные - < 0,001 мм. Первичные минералы имеют жесткую неподвижную кристаллическую решетку, практически не обладают влагоемкостью, физико-химической поглотительной способностью, не набухают. При почвообразовании первичные минералы отличаются неустойчивостью и постепенно разрушаются под воздействием организмов, климатических агентов и водных растворов. Состав и соотношение первичных минералов характеризуют происхождение почвообразующих пород. Обилие первичных минералов в почвах говорит об их относительной молодости. С возрастом почв содержание и число видов первичных минералов постепенно уменьшаются. В большинстве почв первичные минералы преобладают по массе над вторичными, за исключением ферраллитных почв, в которых первичных минералов часто меньше, чем вторичных. В древних палеоавтоморфных почвах первичные минералы представлены наиболее стойкими против выветривания видами. В процессе выветривания и почвообразования первичные минералы отдают в почвенные воды растворимые компоненты, а в состав тканей высших и низших растений – важнейшие элементы минерального питания растений: фосфор, калий, серу, кальций, магний, микроэлементы.

В целом значение первичных минералов разносторонне: от их количества (особенно крупнозернистых фракций) зависят агрофизические свойства почв, они являются резервным источником зольных элементов питания растений, а также образования вторичных минералов.

Наиболее распространенными первичными минералами в породах и почвах являются кварц, полевые шпаты, амфиболы, пироксены и слюды. В рыхлых осадочных горных породах больше кварца как наиболее устойчивого к выветриванию минерала. Его содержание достигает 40 – 60 % и более. Второе место обычно занимают полевые шпаты (до 20%), также обладающие большой механической прочностью, но менее устойчивые к химическому выветриванию.

Среди почвенных минералов силикаты и алюмосиликаты разного рода абсолютно преобладают над всеми другими минералами. Многие почвенные минералы являются аморфными. Но кристаллические минералы (все первичные и большинство вторичных) в почвах обычно преобладают.

Породообразующие минералы служат тем первичным материалом, из которого в процессе выветривания и почвообразования образуются вторичные минералы осадочных пород, рыхлых наносов и почв.

Кварц (SiO₂)_n - один из наиболее распространенных минералов горных пород и почв. Основой кристаллической структуры кварца являются кремнекислородные тетраэдры, представляющие собой четыре иона кислорода, расположенных по углам тетраэдра, в центре которого заключен ион кремния Si более малого радиуса, чем кислород. Кремнекислородные тетраэдры соединяются в сплошной каркас. Подобная кристаллохимическая структура кварца обуславливает его высокую устойчивость к процессам выветривания.

Кварц образуется в глубоких слоях Земли при повышенной температуре и давлении, а также на поверхности из горячих источников.

Кварц - постоянный компонент песчаников, лёссов и крупных фракций почвенной массы, содержится в почвообразующих породах и почвах в количестве 40 - 60 %. В пылевато-песчаных (1-0,01 мм) фракциях почв его содержание достигает 70 - 90 %.

Значение кварца для свойств почв очень велико. От количества и размера его зёрен зависит механический состав почв и многие физические свойства: водопроницаемость, связность, влагоёмкость. В поглощении катионов кварц участия не принимает. Абсолютное преобладание кварцевых минералов в почвообразующих породах и почвах обуславливает их крайне низкое плодородие.

Полевые шпаты (ортоклаз и микроклин) - это большая группа широко распространенных относительно стойких минералов изверженных и осадочных пород, а также почв.

Полевые шпаты и продукты их преобразования существенно влияют на свойства почвы. Крупные зёрна полевых шпатов, аналогично кварцу, влияют на физические свойства почв. Ортоклаз - один из источников калийного питания растений, хотя слюдам и гидрослюдам принадлежит в этом отношении более важная роль, так как они содержат калий в более доступной растениям форме. Из полевых шпатов калий усваивается лишь в том случае, когда частицы минерала измельчены до размера менее 0,001 мм. При выветривании полевые шпаты образуют гидрослюды, глинные минералы, гидроокиси Al и Si, силикаты и карбонаты щелочей и щелочноземельных металлов.

Слюды обладают слоистой кристаллохимической структурой. Плоские слои кремнекислородных тетраэдров, обращенные вершинами друг к другу, связаны с ионами алюминия, ионами алюминия также соединены гидроксильные группы. Так образуются трехслойные пакеты, соединенные между собой ионами калия.

Слюды широко распространены в горных породах и почвах. Они являются важнейшим источником калийного питания растений. Слюды могут образовываться из различных первичных минералов, и сами являются преимущественно первичными. Слюды выветриваются сравнительно быстро, образуя каолинит, гидрослюды, опаловидный кремнезём. Часто биотит замещается при выветривании хлоритом.

Если в почве много крупнозернистых слюд, то они увеличивают водо- и воздухопроницаемость почвы, т.е. играют такую же роль, как полевые шпаты и кварц. Ёмкость поглощения слюд зависит от степени их дисперсности и колеблется от 10 до 30 мэкв на 100 г. Это объясняет высокое плодородие богатых слюдой почв. Именно поэтому многие цветоводы в качестве стерильного и плодородного грунта для выращивания цветочных культур используют смеси с доминированием в их составе слюды.

Амфиболы - R₇[Si₄O₁₁]₂(OH)₂, пироксены R₂[Si₂O₆], где R - катионы одно-, двух- и трёхвалентных металлов. Весьма распространены в изверженных и метаморфических породах и составляют около 16 % литосферы. Это группа весьма мелкокристаллических минералов, которые можно рассматривать как кальциевые, магниевые, натриевые, алюминиевые соли метакремневой кислоты. Кристаллохимически эти минералы являются сочетаниями лентовидных цепочек кремнекислородных тетраэдров, соединенных катионами. В эту группу входят такие минералы, как тремолит, роговая обманка, диопсид, авгит и др. обычно они тёмно-зелёного и чёрного цветов. Минералы этой группы часто встречаются в сравнительно молодых почвах, развитых на изверженных породах, но легко выветриваются и исчезают в древних почвах. При выветривании они являются источниками карбонатов кальция, магния, натрия и соединений железа и кремния. Характерный вид в почвах обычно зелёные или бурые удлиненно-призматические зёрна с зазубренными краями.

Апатит 3Ca₃P₂O₈∙Ca(F,Cl)_2. Очень прочный минерал изверженных пород, в состав которого входят фосфор, кальций, фтор, хлор. При выветривании апатит медленно освобождает соединения фосфора, являющиеся важным элементом минерального питания растений.

Оливины (Mg Fe)₂ [SiO₄]. Эта группа минералов в почвах встречается редко, так как крайне быстро выветривается. Характерна для молодых почв, образующихся на основных и ультраосновных породах. Неправильные раздробленные зёрна, преобразованные по трещинам главным образом в серпентин, иддингсит и в окислы железа.

Если расположить главнейшие породообразующие минералы по степени возрастания их устойчивости к процессам выветривания, то будет иметь место следующая последовательность: оливин→авгит→кальциевый плагиоклаз→роговая обманка→кальциево-натриевый плагиоклаз→натриево-кальциевый плагиоклаз→биотит→натриевый плагиоклаз→калиевый плагиоклаз→мусковит→кварц.

Скорость и направление выветривания зависят от внутренних свойств самих пород и слагающих их минералов и от внешних условий (биоклиматических, геоморфологических), в которые попадают породы при выходе на поверхность Земли.

К числу внутренних факторов устойчивости минералов относятся:

I. Прочность кристаллической решётки.

2. Спайность минералов. Минералы с хорошо выраженной спайностью разрушаются быстрее.

3. Размеры и форма зёрен. С уменьшением размеров и соответственно увеличением удельной поверхности, устойчивость уменьшается.

Ниже приводятся ряды устойчивости, согласно Грэму и Гольдичу (1938):

Степень устойчивости Минералы

Очень неустойчивые Оливин, апатит, анортит, битовнит

Неустойчивые Авгит, роговая обманка, лабрадор

Среднеустойчивые Биотит, андезин, гранат, эпидот

Устойчивые Ортоклаз, микроклин, альбит,

олигоклаз

Наиболее устойчивые Кварц, мусковит, циркон, турмалин,

рубин, ильменит, анатаз, кианит, титанит, магнетит

Итак, минералы с различной кристаллохимической структурой обладают неодинаковой устойчивостью к выветриванию. Наиболее легко разрушаются силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами (оливин). Более устойчивы минералы, имеющие цепочную и ленточную структуру (амфиболы и пироксены). Довольно легко происходит преобразование железомагнезиальных слюд. Устойчивость полевых шпатов зависит от их состава: кальциевые плагиоклазы выветриваются так же легко, как пироксены, а натриевые и калиевые полевые шпаты отличаются повышенной устойчивостью так же, как и светлые слюды. Однако наиболее устойчив кварц, кристаллохимическая структура которого состоит исключительно из кремнекислородных тетраэдров.

В зависимости от типа кристаллохимической структуры при одних и тех же географических условиях может происходить полное её разрушение или частичное преобразование. Так, например, при извлечении катионов, соединяющих кремнекислородные тетраэдры в оливине, происходит полное разрушение минерала. При выветривании слюд на первых стадиях этого процесса извлекаются катионы калия, которые соединяют плоские листы (пакеты), состоящие из кремнекислородных тетраэдров с расположенными между ними гидроксильными ионами и ионами алюминия. В результате имеет место не полное разрушение кристаллохимической структуры, а её частичная перестройка, преобразование.

Особо устойчивые первичные минералы, которые мало распространены, присутствуют в крайне небольших количествах, но, отличаясь высокой стойкостью, долго сохраняются в почвах, давая возможность судить о происхождении осадочных пород и о длительности почвообразования. Это силикатные минералы группы эпидота, дистена, граната, а также ставролит, циркон, турмалин. Хотя в изверженных породах установлено присутствие более 1000 различных минералов, доминирующими минералами, имеющими важное значение в почвообразовании, являются лишь кварц, полевые шпаты, оливины, пироксены, амфиболы, нефелин, слюды и роговые обманки.

Выветривание первичных минералов, как правило, сопровождается образованием растворов, гидрозолей и гидрогелей кремнезёма и различных силикатов, гидрогелей и окристаллизованных окислов железа, алюминия, марганца, вторичных глинных алюмосиликатов, карбонатов щелочей и щелочноземельных металлов и других легкорастворимых солей.

Дата добавления: 2015-12-07