почвоведение ганжара. Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений
![]()
|
Осадочные породы ■ кварц [fflff Полевые шпаты ^ Слюды Магматические породы ![]() В Полевые шпаты Й2? Амфиболы и лироксены >$$ Слюды Кварц = Прочие Рис. 12.1. Минералогический состав магматических и осадочных пород ![]() Рис. 12.2. Кремнекислородные радикалы: А — цепочные; Б — ленточные; В — листовые Свойства силикатов, в том числе устойчивость к выветриванию, определяются строением кристалли- ческои решетки, состоящей из кремнекислородных тетраэдров (SiO„)4-. Во всех силикатах каждый атом кремния соединен с четырьмя атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра, в центре которого находится атом кремния. Кремнекислородный тетраэдр обладает четырьмя свободными валентными связями, которые могут быть компенсированы присоединением катионов или соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами. Тетраэдры, соединяясь через кислородные ионы, могут образовывать различные сочетания, или типы структур: островные (оливин), ленточные (амфиболы), листовые (слюДы), каркасные (поле- ВЬ1е шпаты, кварц) (Рис. 12.2). Если тетра-эдры в структуре располагаются изолированно, соединяясь между собой через положительно заряженные атомы металлов, получается самый простой — островной тип структуры. При соединении тетраэдров через кислородные ионы образуются цепочки, ленты, листы или слои, каркасы. В каркасных структурах часть ионов кремния может замещаться алюминием, при этом образуются алюмосиликаты. ![]() Кварц (Si02). По химической природе кварц — типичный оксид, а по кристаллической структуре его относят к каркасным силикатам. Известны разновидности кварца, имеющие разный цвет и прозрачность: горный хрусталь, аметист, раухтопаз, морин. Кварц весьма стойкий к выветриванию минерал, поэтому он накапливается в осадочных породах и в почвах. Особенно много кварца содержится в песчаных и супесчаных почвах. Обогащен- ность почв кварцем обусловливает пониженное плодородие, из-за его химической инертности, неспособности удерживать влагу и элементы питания. Существуют разновидности кварца вторичного (экзогенного) происхождения: халцедон — скрытокристаллическая разновидность кварца; опал — аморфная разновидность, содержащая воду; гейзерит — гидротермальный опал. Все перечисленные минералы вместе с кварцем объединены в группу свободного кремнезема. Полевые шпаты. Эта наиболее распространенная в литосфере группа минералов имеет каркасный тип кристаллической решетки. В каркасных структурах часть ионов четырехвалентного кремния замещена трехвалентным алюминием, в результате создается комплексная алюмокремниевая группа (поэтому их относят к алюмосиликатам) и возникает свободная валентность кислорода, которая компенсируется ионами калия, натрия и кальция. По химическому составу полевые шпаты подразделяются на три подгруппы: 1) калиево-натриевые полевые шпаты, в состав которых входят K[AlSi3Og] и Na[AlSi308], к этим соединениям относятся ортоклаз, микроклин и др.; 2) натриево-кальциевые полевые шпаты, или плагиоклазы, представляющие собой изоморфные смеси натриевой молекулы — Na[AlSi308] (в чистом виде называется альбит) и кальциевой — Ca[Al2Si208] (в чистом виде называется анортит); 3) фельдшпатиды по химическому составу сходны с полевыми шпатами, но имеют меньшее содержание оксидов кремния, они часто замещают полевые шпаты в основных породах. В зависимости от содержания оксида кремния полевые шпаты подразделяются на кислые, с повышенным содержанием 104 кремнезема (ортоклаз, микроклин, альбит); средние и основные __ с пониженным содержанием (лабрадор, анортит и др.). Полевые шпаты являются менее устойчивыми к выветриванию, по сравнению с кварцем. Среди них наиболее устойчивыми считаются кислые полевые шпаты, содержащиеся в кислых породах (гранит, липарит). Средние и основные, содержащиеся в основных магматических породах (габбро, базальт), менее устойчивы и могут являться источником элементов питания (калия, кальция и др.) для растений. Пироксены и амфиболы. Пироксены и амфиболы занимают в литосфере по массе второе место после полевых шпатов (около 17%). В почвах и осадочных породах они присутствуют в небольших количествах, в связи с низкой устойчивостью к выветриванию. Пироксены относятся к цепочечным силикатам. Типичным представителем является авгит —• породообразующий минерал основных и ультраосновных пород. Амфиболы относятся к ленточным силикатам. Типичным и наиболее распространенным представителем является роговая обманка. Группа слюд. Эта группа минералов имеет листовую, слоистую структуру. В земной коре содержится около 4% слюд. В осадочных породах и почвах — встречаются в небольших количествах. В этой группе минералов часть кремнекислородных тетраэдров заменена на алюмокислородные, поэтому они относятся к алюмосиликатам. Типичными представителями являются мусковит и биотит, в своем составе содержат калий, магний, железо. Слюды более устойчивы к процессам выветривания, по сравнению с амфиболами и пироксенами.
Вторичные минералы содержатся только в осадочных породах и в почвах. Они представлены в основном глинистыми минералами, оксидами железа, алюминия и простыми солями. Глинистые минералы. Минералы этой группы относятся к слоистым алюмосиликатам. Их название связано с тем, что они, как правило, преобладают в составе глин. К глинистым минералам относятся минералы групп каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, смешаннослоистых минералов, хлорита. Глинистые минералы обладают рядом общих свойств: 1) высокая дисперсность; 2) по- 105 глотательная, или обменная способность по отношению к катионам; 3) содержат химически связанную воду, которая выделяется при температурах в несколько сотен градусов; 4) имеют слоистое строение, сочетающее тетраэдрические и октаэдрические слои. Различают двух-, трех- и четырехслойные минералы. Минералы группы каолинита. Каолинит Al4(OH)8(Si4O10) — двухслойный минерал с жесткой кристаллической решеткой, состоящей из одного слоя кремнекислородных тетраэдров и одного слоя алюмогидроксильных октаэдров (рис. 12.3). Каолинит не набухает в воде, так как вода не проникает в межплоскостное пространство минерала из-за сильной связи между пакетами. Этот минерал характеризуется узким отношением Si02: А1203 = 2. Он обладает низкой поглотительной способностью (не более 20 мг- экв на 100 г), обусловленной исключительно теми свободными связями, которые имеются на краях элементарных пакетов. К группе каолинита относится минерал галлуазит, отличающийся значительным содержанием межпакетной влаги и более высокой емкостью катионного обмена (40-60 мг-экв на 100 г). Наиболее высокое содержание каолинита — в почвах, формирующихся в условиях субтропических и тропических влажных областей на ферраллитных и аллитных корах выветривания. В почвах умеренных широт его содержание незначительное, за исключением древних кор выветривания. Почвы, содержащие каолинит, характеризуются низкой емкостью катионного обмена, обеднены основаниями, меньше накапливают гумуса, характеризуются пониженным плодородием. ![]() Рис. 12.3. Схема строения кристаллической решетки каолинита 106 Минералы группы гидрослюд (гидробиотит, гидромусковит И др.)* Их еще называют минералами группы иллита. Эти минералы представляют собой трехслойные алюмосиликаты с нерасширяю- щейся решеткой, а поэтому межпакетная вода в них отсутствует. Емкость катионного обмена гидрослюд достигает 45-50 мг- экв на 100 г. Часть кремния в тетраэдрах замещена на алюминий. Образующийся при этом отрицательный заряд компенсируется необменными ионами калия, который прочно связывает пакеты между собой. Гидрослюды характеризуются повышенным содержанием калия (до 6-8%), который частично используется растениями. Представитель гидрослюд — глауконит является агрономической рудой, калийным удобрением, после соответствующей термической обработки. Минералы этой группы широко распространены в осадочных породах и почвах, в том числе в подзолистых, серых лесных и др. К гидрослюдам близок минерал вермикулит, характеризующийся расширяющейся решеткой и очень высокой емкостью катионного обмена (до 100-120 мг-экв на 100 г). Вермикулит ^асто используют как компонент тепличных грунтов. Минералы группы монтмориллонита (монтмориллонит, нонт- ронит, бейделит и др.). Их еще называют минералами группы смектита (Fe, Al)2[Si4O10](OH)2 nH2O, молярное отношение Si02: А1203 = 4. Эта группа минералов имеет трехслойное строение с сильно расширяющейся при увлажнении кристаллической решеткой, при этом они поглощают влагу, сильно набухают и увеличиваются в объеме (рис. 12.4). Отличительной особенностью этих минералов является высокая дисперсность. Разнообразные изоморфные замещения кремния на алюминий, алюминия на железо и магний влекут за собой появление отрицательных зарядов, которые уравновешиваются обменными катионами. Повышенная дисперсность и изоморфные замещения обусловливают высокую емкость катионного обмена — 80-120 мг-экв на 100 г. Минералы группы монтмориллонита чаще содержатся в почвах с нейтральной и щелочной реакцией среды (черноземы, каштановые, солонцы) и практически полностью отсутствуют в субтропических и тропических почвах на ферраллитных и аллит- ных корах выветривания. Много монтмориллонита содержится в слитых почвах. Минералы группы хлорита. Они имеют четырехслойную набухающую решетку. Содержат в своем составе железо, магний. Могут быть как магматического, так и экзогенного происхождения. Име- 107Рис. 12.4. Схема строения кристаллической решетки монтмориллонита. ![]() О ©0/г •л4* Ол»* ются данные (Соколова Т.А., 1982), что почвенные хлориты участвуют в формировании гидролитической кислотности почв. Группа смешаннослойных минералов. Смешаннослойные минералы имеют кристаллические решетки, в которых чередуются слои разных минералов: монтмориллонита с иллитом, вермикулита с хлоритом и др. Соответственно составным частям они получают название — иллит-монтмориллонит, вермикулит-хлорит и др. В зависимости от состава и доли участия тех или иных минералов свойства их сильно изменяются. Эта группа минералов наиболее распространена в почвах умеренного и холодного гумидного и арктического поясов, в которых они занимают 30-80% от общего содержания глинистых минералов (Б.П. Градусов, 1976). Минералы гидроксидов и оксидов железа и алюминия. Наибольшее распространение имеют гематит Fe203, гетит Fe203H20, гидрогетит, гиббсит (гидрагелит) А1203-ЗН20. Минералы этих групп встречаются в иллювиальных горизонтах подзолистых, серых лесных почв, почв влажных тропических и субтропических областей (красноземы, ферраллиты и др.). Они образуются путем кристаллизации из аморфных гидратов оксидов железа и алюминия. Минералы этой группы принимают участие в оструктурива- нии почв, в связывании фосфорной кислоты. В условиях кислой реакции среды гидраты оксидов железа и алюминия растворяются и принимают активное участие в процессах почвообразования.Аллофаны. Группа вторичных минералов, состоящая из октаэдров и тетраэдров, но расположенных не систематически, а беспорядочно и поэтому имеющих аморфное строение. Они повышают емкость поглощения, увеличивают гидрофильность, липкость и набухаемость почв. Минералы — соли. Могут быть как вторичными, так и первичными. Наибольшее распространение имеют карбонаты: кальцит — СаС03, доломит — CaC03 MgC03, сода — Na2C03 ЮН20. Среди сульфатов наиболее распространены гипс — CaS042H20, мирабилит — Na2S0410H20, среди хлоридов — галит NaCl. Много солей содержится в засоленных почвах и почвообразующих породах в аридных областях, где они оказывают ведущее влияние на свойства и плодородие почв.
Минералогический состав почв наследуется от почвообразующих пород, является довольно устойчивым во времени и практически не поддается регулированию, за исключением приемов пескования, глинования; химических мелиораций — известкования, гипсования; удаления из почв водорастворимых солей промывками. С минералогическим составом тесно связаны гранулометрический и химический составы почв, физико-механические, а также физические и физико-химические свойства. Очень часто он определяет направленность почвообразовательных процессов и приводит к формированию специфических типов почв, получивших название литогенных, в составе и свойствах которых в меньшей степени проявляется влияние биологического и климатического факторов почвообразования. Минералогический состав оказывает влияние на прочность связи гумусовых веществ с минеральной частью почв и, в целом, на количество накапливающегося гумуса, на емкость катионного обмена, реакцию среды, потенциальный запас элементов питания для растений, на процессы формирования агрономически ценной структуры и поэтому является одним из ведущих факторов, определяющих уровень почвенного плодородия. Глава 13. Химический состав почв и почвообразующих пород
Почва является четырехфазной системой. Она включает твердую, жидкую, газообразную и живую фазы. Каждая фаза имеет специфический химический состав. Твердая фаза автоморфных почв является преобладающей по массе и преимущественно состоит из минеральных — 80-90% и, в меньшей мере, — 10-15% — органических веществ. Минеральная часть почвы в основном состоит из кислорода и кремния. Затем идут в убывающем порядке алюминий и железо, кальций, калий, натрий и магний (табл. 13.1). Эти 8 элементов в сумме составляют около 99% минеральной части почв и почвообразующих пород. Около 1% приходится на все остальные элементы. Среди них повышенное содержание имеют титан, фосфор, марганец, сера и хлор, водород и углерод, которые относятся к макроэлементам. Очень незначительную часть почвы занимают микроэлементы: Си, Zn, Мо, В, РЬ и др. Углерод, азот и, частично, водород, сера и фосфор содержатся в основном в составе органических веществ. Литосфера и почвы имеют близкий химический состав. Однако в составе почв значительно больше содержится углерода и азота, что связано с их биологическим накоплением в составе органических веществ. Несколько больше в почвах, по сравнению с литосферой, содержится кислорода, водорода и кремния и меньше — алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия и других металлов, что связано с процессами выветривания и поч-
|