Файл: Почвоведение. Курс лекций.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.09.2020

Просмотров: 5434

Скачиваний: 17

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

Присутствие

 

в

 

минералах

  Fe

2+

 

также

 

способствует

 

выветриванию

так

 

как

 

окисление

  Fe

2+

 

до

  Fe

3+

 

приводит

 

к

 

изменению

 

объемов

занимаемых

 

ионами

 

в

 

кристаллической

 

решетке

что

 

вызывает

 

в

 

конечном

 

итоге

 

ее

 

разрушение

Наибольшей

 

устойчивостью

 

обладает

 

кварц

на

 

состояние

 

которого

 

боль

-

шинство

 

описанных

 

реакций

 

заметного

 

влияния

 

не

 

оказывают

однако

 

и

 

он

 

в

 

не

-

которой

 

степени

 

подвергается

  

гидратации

При

 

полном

 

разрушении

 

силикатов

 

образуются

 

простые

 

продукты

 

выветри

-

вания

гидрата

 

окислов

  Fe,  Al, 

одно

и

 

двухвалентных

 

оснований

гидрат

 

окиси

 

кремния

  (

кремниевая

 

кислота

и

 

некоторые

 

другие

 

кислоты

  - 

угольная

серная

соляная

фосфорная

 

и

 

другие

образующиеся

 

при

 

окислении

 

элементов

содержа

-

щихся

 

в

 

горных

 

породах

Высвободившаяся

 

при

 

выветривании

 

кремниевая

 

кислота

 

при

 

слабокислой

 

реакции

 

частично

 

переходит

 

в

 

состояние

 

геля

  (SiO

2

nH

2

O), 

при

 

слабощелочной

  - 

золя

В

 

дальнейшем

 

аморфный

 

кремнегель

 

может

 

терять

 

воду

 

и

   

закристаллизо

-

ваться

образуя

 

вторичный

 

кварц

Кроме

 

этого

,  

часть

 

кремниевой

 

кислоты

 

может

 

образовывать

 

с

 

основаниями

 

растворимые

 

в

 

воде

 

соли

которые

 

впоследствии

 

мо

-

гут

 

быть

 

вымыты

В

 

коллоидном

 

и

 

растворенном

 

состоянии

 

кремниевая

 

кислота

 

может

 

вступать

 

в

 

реакцию

 

с

 

полуторными

 

окислами

образуя

 

при

 

этом

 

сложные

 

соединения

Аморфные

 

соединения

содержащие

 SiO

2

 

и

 R

2

O

3

 

в

 

разных

 

соотноше

-

ниях

   

называются

 

аллофонами

.

 

Теряя

 

воду

гидраты

 

полуторных

 

окислов

 

могут

 

постепенно

 

кристаллизоваться

образуя

 

вторичные

 

минералы

лимонит

  - 2Fe

2

O

· 

3H

2

O, 

гетит

 - Fe

2

O

· 

H

2

O, 

гематит

 - Fe

2

O

3

гиббсит

 - Al

2

O

· 

3H

2

O, 

бемит

 - Al

2

O

· 

H

2

O. 

Освобождающиеся

 

при

 

выветривании

 

основания

реагируя

 

с

 

кислотами

об

-

разуют

 

простые

 

соли

являющиеся

 

вторичными

 

минералами

карбонаты

сульфа

-

ты

нитраты

хлориды

фосфаты

силикаты

В

 

разной

 

степени

 

растворяясь

 

в

 

воде

они

 

могут

 

накапливаться

 

в

 

условиях

 

засушливого

 

климата

Помимо

 

простых

 

вторичных

 

минералов

при

 

выветривании

 

могут

 

образовы

-

ваться

 

вторичные

 

алюмосиликаты

 

и

 

феррисиликаты

Эти

 

минералы

 

входят

 

в

 

состав

 

различных

 

глин

 

и

 

поэтому

 

носят

 

название

 

глинных

Являясь

 

частью

 

почв

они

 

определяют

 

очень

 

важные

 

для

 

развития

 

растений

 

почвенные

 

свойства

 (

погло

-

тительная

 

и

 

обменная

 

способность

кислотность

буферность

водоудерживающая

 

способность

 

и

 

др

.). 

Из

 

большого

 

числа

 

глинных

 

минералов

для

 

почв

 

наибольшее

 

значение

 

имеют

 

группы

каолинита

мантмориллонита

 

и

 

гидрослюд

Минералы

 

группы

 

каолинита

 

имеют

 

двухслойную

 

кристаллическую

 

решет

-

ку

которая

 

состоит

 

из

 

двух

 

слоев

слоя

 

кремнекислородных

 

тетраэдров

 

и

 

слоя

 

алюмо

-

кислородно

-

гидроксильных

 

октаэдров

В

 

кремнекислородном

 

слое

 

вершины

 

тетраэдров

 

повернуты

 

в

 

одну

 

сторону

 

и

 

яв

-

ляются

 “

кислородными

 

мостиками

”, 

связывающими

 

тетраэдрический

 

и

 

октаэдри

-

ческий

 

слои

О

2

¯

  

одновременно

 

связан

 

с

 

атомами

 Si

4+

 

и

 Al

3+

 


background image

В

 

целом

 

элементарная

 

ячейка

 

каолинита

 

электроней

-

тральна

 

и

 

соответствует

 

формуле

  Al

4

Si

4

O

10

(OH)

или

 

Al

2

Si

2

O

5

(OH)

4

При

 

разламывании

 

пакетов

 

боковые

 

по

-

верхности

 

кристаллов

 

имеют

 

ненасыщенные

 

валентно

-

сти

что

 

может

 

вызывать

 

адсорбцию

 

ионов

 

из

 

окружаю

-

щего

 

раствора

Расстояние

 

между

 

пакетами

 

каолинита

 

равна

  7,2 

А

0

 

и

 

не

 

изменяется

Он

 

не

 

впитывает

 

воду

 

в

 

межпакетные

 

пространства

 

и

 

поэтому

 

не

 

набухает

К

 

этой

 

группе

 

минералов

 

от

-

носятся

кроме

 

каолита

галлузит

  (

структурная

 

формула

  Al

2

Si

2

O

5

(OH

4

· 

2

Н

2

О

), 

метагаллузит

 (Al

2

Si

2

O

5

(OH)

· 

4

Н

2

О

), 

диккит

 

и

 

накрит

Монтмориллонит

 

состоит

 

из

 

трехслойных

 

паке

-

тов

октаэдрический

 

слой

 

заключен

 

между

 

двумя

 

тетра

-

эдрическими

Межпакетные

 

расстояния

 

монтморилло

-

нита

  

изменяются

 

от

 9,4 

до

 21,4 

А

0

 

и

 

варьируют

 

в

 

зави

-

симости

 

от

 

количества

 

поглощенной

 

воды

Способность

 

монтмориллонита

 

к

 

набуханию

 

значительна

Структура

 

монтмориллонита

 

отвечает

 

химической

 

формуле

 

Al

4

Si

8

O

20

(OH)

·

 n

Н

2

О

В

 

этой

 

формуле

 n

Н

2

О

 - 

вода

раз

-

деляющая

 

пакеты

Кристаллическая

 

решетка

 

электриче

-

ски

 

нейтральна

 

и

 

содержит

 

по

 44 

положительных

 

и

 

отрицательных

 

заряда

Мине

-

ралам

 

группы

 

монтмориллонита

 

характерны

 

разнообразные

 

изоморфные

 

замеще

-

ния

: Si 

в

 

тетраэдрических

 

слоях

 

может

 

быть

 

частично

 

замещен

 

на

 Al

3+

а

 

аллюми

-

ний

 

в

 

октаэдрическом

 

слое

 

замещается

  Fe

2+

 

и

  Fe

3+

,  Mg

2+

   

и

 

другими

 

металлами

Например

у

 

минерала

 

бейделлита

  

в

 

отличие

 

от

 

монтмориллонита

  

один

 

из

 

четы

-

рех

 

ионов

 Si

4+ 

тетраэдрического

 

слоя

 

замещен

 Al

3+

появившийся

 

избыточный

 

от

-

рицательный

 

заряд

 

компенсируется

 

ионом

 

гидроксила

  (Al

3

Si

3

O

9

(OH)

·

  nH

2

O. 

К

 

этой

 

же

 

группе

 

принадлежит

 

минерал

 

нонтронит

 

с

 

формулой

  Fe

2

Si

4

O

10

(OH)

·

 

nH

2

O, 

где

 

в

 

октаэдрах

 

ион

 Al

3+

 

замещен

 

на

 Fe

3+

Из

 

глинных

 

минералов

 

в

 

почвах

 

большое

 

место

 

принадлежит

 

группе

 

гидро

-

слюд

в

 

которую

 

входят

 

гидромусковит

 (

иллит

), 

гидробиотит

 

и

 

другие

 

гидротизи

-

рованные

 

слюды

Кристаллическая

 

решетка

 

иллита

 

построена

 

так

 

же

как

 

и

 

у

 

монтмориллонита

Разница

 

состоит

 

в

 

том

что

 

в

 

тетраэдрах

 

часть

  Si

4+

 (

до

 1/4) 

за

-

щищена

  Al

3+

При

 

этом

 

образовавшийся

 

отрицательный

 

электрический

 

заряд

 

компенсируется

 

ионом

 

К

+

который

 

прочно

 

связывает

 

пакеты

 

между

 

собой

По

-

этому

 

межпакетная

 

вода

 

в

 

иллите

 

отсутствует

Гидробиотит

 

образуется

 

из

 

био

-

тита

  - 

слюды

 

темного

 

цвета

в

 

которой

 

все

 

октаэдрические

   

места

 

заняты

  Mg

2+

 

и

 

Fe

2+

Кроме

 

распространенных

 

индивидуальных

 

глинистых

 

минералов

в

 

природе

 

существуют

 

так

 

называемые

 

смешанно

-

слоистые

 

минералы

пластинки

 

которых

 

состоят

 

из

 

чередующихся

 

пакетов

 

различных

 

минералов

например

иллита

мон

-

тмориллонита

 

и

 

т

.

д

Существует

 

так

 

же

 

еще

 

группа

 

вторичных

 

минералов

аллофоны

Они

 

состо

-

ят

 

из

 

тетраэдров

 

и

 

октаэдров

но

 

расположены

 

беспорядочно

поэтому

 

вследствие

 

отсутствия

 

кристаллического

 

строения

 

они

 

обладают

 

аморфными

 

свойствами

 

 


background image

Глинистые

 

минералы

 

в

 

природе

 

образуются

 

двумя

 

путями

Первый

 

путь

 

представляет

 

собой

  

постепенное

 

изменение

 

первичных

 

минералов

что

 

приводит

 

к

 

образованию

 

новых

 

форм

 

кристаллических

 

решеток

Превращение

 

первичных

 

минералов

 

происходит

 

примерно

 

через

 

такие

 

стадии

 
 

полевые

 

шпаты

слюды

 

 

гидрослюды

 

 

монтмориллонит

 

 

као

-

линит

галлузит

 

 

гиббсит

гетит

 

 

При

 

отклонениях

 

от

 

этой

 

схемы

 

полевые

 

шпаты

минуя

 

стадию

 

гидрослюд

пре

-

образовываются

 

в

 

монтмориллонит

 

или

 

каолинит

Вторичные

 

минералы

 

могут

 

возникать

 

также

 

путем

 

синтеза

 

из

 

простых

 

про

-

дуктов

 

распада

 

первичных

 

минералов

полевых

 

шпатов

амфиболов

вулканиче

-

ских

 

стекол

 

и

 

т

.

д

Образующиеся

 

при

 

распаде

 

вещества

 

вступают

 

между

 

собой

 

в

 

реакции

 

взаимодействия

продукты

 

которых

 

выпадают

 

в

 

осадок

Известно

что

 

химическое

 

выветривание

 

выражается

 

следующими

 

стадиями

1) 

гидратации

 

силиката

; 2) 

окисление

 

закиси

 

железа

; 3) 

постепенного

 

гидролиза

 - 

уменьшения

 

содержания

 

щелочей

 

и

 

замене

 

Н

+

;  4) 

переход

  Al 

из

   

четверной

 

ком

-

бинации

 

в

 

шестерную

; 5) 

частичный

 

вынос

 

кремнезема

Образование

 

слюдоподобных

 

минералов

   

из

 

полевых

 

шпатов

 

происходит

 

вследствие

 

выноса

 

части

  SiO

2

,  K

2

O,  CaO. 

Гидратация

 

способствует

 

замещению

 

некоторого

 

количества

 

ионов

 

К

+

 

ионами

 

Н

+

что

 

приводит

 

к

 

образованию

 

слюд

Этот

 

процесс

 

можно

 

проиллюстрировать

 

на

 

примере

 

превращения

 

монтморилло

-

нита

 

в

 

гиббсит

  

 
 
 
 
 
 
 

 

 

При

 

отслоении

 

одного

 

тетраэдрического

 

слоя

 

у

 

монтмориллонита

 

приводит

 

к

 

образованию

 

каолинита

при

 

этом

 

ионы

 

кислорода

    “

кислородных

 

мостиков

” 

за

-

мещаются

 

гидроксилами

В

 

дальнейшем

 

при

 

присоединении

 

воды

 

каолинитом

 

из

 

него

 

образуется

 

гибб

c

ит

 

и

 SiO2. 

Скорость

 

разрушения

 

первичных

 

и

 

механизм

 

образования

 

вторичных

 

мине

-

ралов

 

зависят

 

от

 

ряда

 

факторов

:    1) 

особенности

 

первичного

 

минерала

  (

кристал

-

лическая

 

структура

степень

 

дисперсности

химический

 

состав

 

и

 

т

.

д

.),  2) 

сочета

-

ние

 

первичных

 

минералов

,  3) 

температуры

,  4) 

влажности

,  5) 

реакции

 

среды

,  6) 

условий

 

выноса

 

продуктов

 

выветривания

, 7) 

жизнедеятельности

 

организмов

 


background image

Основные

 

породы

 

разрушаются

 

быстрее

 

кислых

 

и

 

поэтому

 

продукты

 

их

 

вы

-

ветривания

 

в

 

большей

 

мере

 

обогащены

 

каолинитом

Поэтому

 

более

 

древние

 

поч

-

вы

подвергавшиеся

 

процессам

 

выветривания

 

и

 

почвообразования

содержат

 

от

-

носительно

 

много

 

минералов

 

группы

 

каолинита

гибсита

 

и

 

гетита

которые

 

явля

-

ются

 

конечными

 

продуктами

 

выветривания

Сухой

 

и

 

холодный

 

климат

 

замедляет

 

разрушение

 

минералов

а

 

теплый

 

и

 

влажный

 - 

ускоряет

В

 

условиях

 

промывного

 

режима

 

происходит

 

вымывание

 

ще

-

лочей

щелочноземельных

 

оснований

кремнезема

и

как

 

следствие

из

 

гидрослюд

 

и

 

монтмориллонита

 

образовывается

 

каолинит

 

и

 

галлузит

Растения

которые

 

в

 

процессе

 

жизни

 

взаимодействуют

  

с

 

почвой

 (

поглощение

 

воды

элементов

 

питания

кислорода

а

 

так

 

же

 

выделение

 

продуктов

 

жизнедея

-

тельности

), 

вносят

 

существенные

 

изменения

 

в

 

состав

 

и

 

свойства

 

почвенного

 

рас

-

твора

реакцию

 

среды

значение

 

окислительно

-

восстановительного

 

потенциала

что

 

в

 

значительной

 

мере

 

оказывает

 

влияние

 

на

 

условия

 

разрушения

 

и

 

синтеза

 

ми

-

нералов

Как

 

отмечалось

 

выше

число

 

первичных

 

минералов

 

в

 

природе

 

невелико

,  

по

-

этому

 

и

 

количество

 

вторичных

 

минералов

 

не

 

отличается

 

большим

 

разнообразием

Наиболее

 

часто

 

встречающимися

 

минералами

 

являются

 

группы

 

гидрослюд

  (

гид

-

робиотит

и

 

монтмориллонита

  (

монтмориллонит

белделлит

,

 

нотронит

), 

далее

 

следуют

 

каолинит

галлузит

вермикулит

гиббсит

Основная

 

масса

 

рыхлых

 

пород

 

состоит

 

из

 

относительно

 

небольшого

 

числа

 

минералов

Из

 

группы

 

первичных

 

минералов

 

в

 

их

 

состав

 

входят

 

кварц

полевые

 

шпаты

слюды

 

и

 

роговые

 

обманки

из

   

вторичных

  - 

слоистые

 

алюмосиликаты

окиси

 

и

 

гидроокиси

  

железа

 

и

 

алюминия

Так

 

как

 

в

 

различных

 

гранулометрических

 

фракциях

 

преобладают

 

различные

 

минералы

поэтому

 

рыхлые

 

породы

подвергаясь

 

сортировке

 

по

 

фракциям

сорти

-

руются

 

также

 

по

 

минералогическому

 

составу

Например

в

 

песках

 

содержатся

 

в

 

основном

первичные

 

минералы

 (

кварц

полевые

 

шпаты

),  

в

 

глинах

 - 

вторичные

в

 

суглинках

  - 

смесь

 

первичных

 

и

 

вторичных

Минералогический

 

состав

 

илистой

 

фракций

  (<  0,001

мм

резко

 

отличается

 

от

 

состава

 

более

 

крупных

 

фракций

Из

 

первичных

 

минералов

 

в

  

этой

 

фракции

 

встречается

 

главным

 

образом

 

кварц

кото

-

рый

 

из

-

за

 

химической

 

устойчивости

 

может

 

сохраниться

 

в

 

виде

 

очень

 

мелких

 

час

-

тиц

другие

 

минералы

 

этой

 

группы

 

присутствуют

 

в

 

очень

 

малых

 

количествах

В

 

данной

 

фракции

 

сосредотачивается

 

основная

 

масса

 

вторичных

 

алюмосиликатов

 - 

монтмориллонит

каолинит

иллитовые

 

минералы

вермикулит

Сохранность

 

по

-

левых

 

шпатов

 

обуславливается

 

главным

 

образом

 

их

 

механической

 

прочностью

которая

 

позволяет

 

им

 

сохраняться

 

в

 

виде

 

относительно

 

крупных

 

частиц

Этим

 

объясняется

 

небольшое

 

содержание

 

полевых

 

шпатов

 

в

 

составе

 

мелких

 

фракций

Химические

 

элементы

входящие

 

в

 

состав

 

литосферы

содержатся

 

в

 

ней

 

в

 

не

-

одинаковых

 

количествах

При

 

этом

 

состав

 

литосферы

 

значительно

 

отличается

 

от

 

состава

 

почвы

 (

табл

. 7.5) 

Литосфера

 

почти

 

на

 

половину

 

состоит

 

из

 

кислорода

  –  47,2%, 

второе

 

место

 

занимает

 Si – 27,6%, 

потом

 Al – 8,8% 

и

 Fe – 5,1%. 

Калий

кальций

магний

 

состав

-

ляют

 

по

 2-3%, 

остальные

 

химические

 

элементы

 

составляют

 

менее

 1%. 


background image

Почвы

по

 

химическому

 

составу

значительно

 

отличаются

 

от

 

литосферы

В

 

них

 

более

 

высокое

 

среднее

 

содержание

 

О

 

и

 

Н

в

 20 

раз

 

больше

 

С

в

 10 - N, 

мень

-

ше

чем

 

в

 

литосфере

 -Al, Fe, Ca, Na, K 

и

 Mg. 

Состав

 

почв

 

относительно

 

почвооб

-

разующих

 

пород

 

более

 

динамичен

Таблица

 7.5.

  

Среднее

 

содержание

 

химических

 

элементов

 

в

 

литосфере

 

и

 

почвах

в

 

весовых

 % 

(

по

 

Виноградову

, 1950) 

 

Элементы

 

Литосфера

 

Почва

 

Элементы

 

Литосфера

 

Почва

 

47,2 

49,0 

(0,1) 

2,0 

Si 

27,6 

33,0 

0,09 

0,085 

Al 

8,8 

7,13 

Mn 

0,09 

0,085 

Fe 

5,1 

3,8 

0,08 

0,08 

Ca 

3,6 

1,37 

0,01 

0,1 

Na 

2,64 

0,63 

Cu 

0,01 

0,002 

2,6 

1,36 

Zn 

0,005 

0,005 

Mg 

2,1 

0,6 

Co 

0,003 

0,0008 

Ti 

0,6 

0,46 

0,0003 

0,001 

(0,15) 

Mo 

0,0003 

0,0003 

 

8. 

Физические

 

свойства

 

твердой

 

фазы

 

почв

 

 

Твердая

 

фаза

 

почв

 

характеризуется

 

следующими

 

основными

 

свойствами

структурой

общими

 

физическими

физико

-

механическими

 

и

 

тепловыми

Структура

 

почвы

  – 

совокупность

 

агрегатов

 

различной

 

величины

формы

 

и

 

качественного

 

состава

Структурность

 – 

способность

 

почвы

 

распадаться

 

на

 

агре

-

гаты

В

 

песчаных

 

и

 

супесчаных

 

почвах

 

структурные

 

элементы

 

обычно

 

находятся

 

в

 

раздельно

-

частичном

 

состоянии

то

 

есть

 

такие

 

почвы

 – 

бесструктурны

В

 

сугли

-

нистых

 

и

 

глинистых

 

почвах

 

иногда

 

структура

 

также

 

может

 

отсутствовать

.  

Агрономическое

 

значение

 

структуры

 

очень

 

велико

Она

 

определяет

 

физиче

-

ские

 

свойства

 

почв

условия

 

обработки

 

и

 

сильно

 

влияет

 

на

 

рост

 

и

 

развитие

 

расте

-

ний

Структура

 

оценивается

 

по

 

ее

 

размеру

пористости

механической

 

прочности

водопрочности

Наиболее

 

агрономически

 

ценными

 

считаются

 

макроагрегаты

 

0,25-10 

мм

обладающие

 

высокой

 

пористостью

  (

более

  45%), 

механической

 

проч

-

ностью

 

и

 

водопрочностью

Структурной

 

считается

 

почва

содержащая

 

более

 55% 

водопрочных

 

агрегатов

 

размером

  0,25-10 

мм

Часто

 

используют

 

коэффициент

 

структурности

  - 

отношение

 

количества

 

мезоагрегатов

 

к

 

сумме

 

макро

-  (

более

  7 

или

  10 

мм

и

 

микроагрегатов

  (

до

  0,25 

мм

). 

Структуру

 

характеризуют

 

два

 

основ

-

ных

 

показателя

 – 

связность

 

и

 

водопрочность

Под

 

связностью

 

структуры

 

понима

-

ется

 

ее

 

устойчивость

 

к

 

механическим

 

воздействиям

Водопрочность

  – 

способ

-

ность

 

не

 

разрушаться

 

при

 

увлажнении

Только

 

связная

 

и

 

водопрочная

 

структура

 

способна

 

сохранять

 

благоприятное

 

сложение

 

при

 

многократных

 

обработках

 

и

 

ув

-

лажнении

В

 

ином

 

случае

 

структура

 

быстро

 

разрушается

 

при

 

обработке

 

или

 

ув

-

лажнении

 

осадками

и

 

почва

 

становится

 

бесструктурной

.