Минералогический состав минеральной части почвы.

Известно, что рыхлые горные породы образуются в результате выветривания изверженных горных пород и представляют собой смесь продуктов химического и физического выветривания, т.е. смесь первичных и вторичных минералов. Первичные минералы обладают различной устойчивостью против разрушения, поэтому в составе рыхлых пород они могут встречаться в различных соотношениях.

Минерал – это однородное в химическом отношении тело, обладающее постоянством химического состава и определенными физическими свойствами. По физическому состоянию минералы бывают твердые, жидкие и газообразные. Многие минералы имеют определенную форму и являются кристаллическими. Большинство минералов аморфны. Количество первичных минералов, встречающихся в изверженных породах, достигает более 3000.

Примерно 92% общей массы изверженных пород состоит из четырех групп минералов: полевых шпатов, роговых обманок и пироксенов, кварца и слюды. Из них наибольшей механической прочностью обладает кварц, затем следуют полевые шпаты, роговые обманки и пироксены, слюды. В связи с этим при физическом выветривании они дробятся с различной скоростью. Более прочные будут разрушаться медленнее и сохраняться в виде более крупных частиц. Менее прочные минералы будут дробиться сильнее и быстрее переходить в более мелкие гранулометрические фракции.

Первичные минералы различаются между собой химическим составом и строением кристаллической решетки, что и предопределяет их неодинаковую устойчивость против выветривания.

Элементарной ячейкой кремнекислородного соединения является тетраэдр, четыре вершины которого заняты крупными анионами О²⁺ (r = 1,32 А⁰), а в центре находится катион с небольшим радиусом Si⁴⁺ (r = 0,39 А⁰). Данный тетраэдр является основной структурной ячейкой всех существующих соединений кремния с кислородом. Ячейка SiO₄ заряжена отрицательно (на 4 положительных заряда Si приходится 8 отрицательных зарядов кислорода). Отрицательный заряд ячейки может быть компенсирован путем присоединения катионов или соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами.

Соединение тетраэдров между собой происходит через вершины, при этом определенные ионы кислорода одновременно связаны с двумя ионами кремния. Оставшиеся свободные валентности кислородных анионов нейтрализуются катионами. Кремнекислородные тетраэдры могут образовывать непрерывные структуры в виде одинарных цепочек, что характерно для пироксенов. В случае, когда кремнекислородные тетраэдры соединяются между собой таким образом, что каждый из четырех кислородных ионов принадлежит двум тетраэдрам, получается структура, не имеющая свободных ионов кислорода. Подобную структуру имеет кварц (SiO₂)_n , который отличается большой прочностью.

Такая же форма трехмерных каркасов характерна и для полевых шпатов, однако в некоторых из тетраэдров Si заменен Al³⁺. В результате такого замещения образуется алюмокислородный комплекс (AlO₄)⁵ˉ. Он несет на единицу больший отрицательный заряд, чем SiO₄, который компенсируется тем или иным катионом. Этим можно объяснить химический состав алюмосиликатов, к которым принадлежат полевые шпаты: альбит Na[Al,Si₃O₈], анортит Ca[Al₂Si₂O₈] и др. В альбите из четырех ионов Si один замещен на Al³⁺, возникший отрицательный заряд компенсирован Na. В анортите из четырех ионов Si⁴⁺ два иона замещены на Al³⁺, два отрицательных заряда компенсируются Ca²⁺.

Минералы, в которых ион Si⁴⁺ замещается ионом Fe³⁺ , называются феррисиликатами. Изоморфные замещения происходят в кристаллической решетке в период ее образования, качество и количество замещающих ионов зависит от состава и концентрации окружающего раствора.

В результате химического выветривания первичные минералы изменяют свой состав и внутреннюю структуру. Выветривание в первую очередь затрагивает поверхность минералов, поэтому с их измельчением возрастает суммарная поверхность, и процессы разрушения ускоряются.

Важнейшим фактором химического выветривания является вода, а также присутствующие в почве кислород и углекислота. Основными типами реакций, происходящими в почве, являются: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление.

Гидратация - это притяжение молекул воды к поверхности минералов. Реакции гидролизаприводят к замене катионов кристаллической решетки на Н⁺ - ионы воды. Присутствие в минералах Fe²⁺ также способствует выветриванию, так как окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ приводит к изменению объемов, занимаемых ионами в кристаллической решетке, что вызывает в конечном итоге ее разрушение.

При полном разрушении силикатов образуются простые продукты выветривания: гидрата окислов Fe, Al, одно- и двухвалентных оснований, гидрат окиси кремния (кремниевая кислота) и некоторые другие кислоты. В коллоидном и растворенном состоянии кремниевая кислота может вступать в реакцию с полуторными окислами, образуя при этом сложные соединения. Освобождающиеся при выветривании основания, реагируя с кислотами, образуют простые соли, являющиеся вторичными минералами: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты, силикаты. В разной степени растворяясь в воде, они могут накапливаться в условиях засушливого климата.

Помимо простых вторичных минералов, при выветривании могут образовываться вторичные алюмосиликаты и феррисиликаты. Эти минералы входят в состав различных глин и поэтому носят название глинистых (глинных). Являясь частью почв, они определяют очень важные для развития растений почвенные свойства (поглотительная 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 каолинитаимеют двухслойную кристаллическую решетку, которая состоит из двух слоев: слоя кремнекислородных тетраэдров и слоя алюмо-кислородно-гидроксильных октаэдров.

В кремнекислородном слое вершины тетраэдров повернуты в одну сторону и являются “кислородными мостиками”, связывающими тетраэдрический и октаэдрический слои: О^2¯ одновременно связан с атомами Si⁴⁺ и Al³⁺. В целом элементарная ячейка каолинита электронейтральна и соответствует формуле Al₄Si₄O₁₀(OH)₈ или Al₂Si₂O₅(OH)₄. При разламывании пакетов боковые поверхности кристаллов имеют ненасыщенные валентности, что может вызывать адсорбцию ионов из окружающего раствора. Расстояние между пакетами каолинита равна 7,2 А⁰ и не изменяется. Он не впитывает воду в межпакетные пространства и поэтому не набухает.

Монтмориллонит состоит из трехслойных пакетов: октаэдрический слой заключен между двумя тетраэдрическими. Межпакетные расстояния монтмориллонита изменяются от 9,4 до 21,4 А⁰ и варьируют в зависимости от количества поглощенной воды. Способность монтмориллонита к набуханию значительна. Структура монтмориллонита отвечает химической формуле Al₄Si₈O₂₀(OH)₄ · nН₂О. В этой формуле nН₂О - вода, разделяющая пакеты. Кристаллическая решетка электрически нейтральна и содержит по 44 положительных и отрицательных заряда. Минералам группы монтмориллонита характерны разнообразные изоморфные замещения: Si в тетраэдрических слоях может быть частично замещен на Al³⁺, а алюминий в октаэдрическом слое замещается Fe²⁺ и Fe³⁺, Mg²⁺ и другими металлами.

Из глинистых минералов в почвах большое место принадлежит группе гидрослюд, в которую входят гидромусковит (иллит), гидробиотит и другие гидратированные слюды. Кристаллическая решетка иллита построена так же, как и у монтмориллонита. Разница состоит в том, что в тетраэдрах часть Si⁴⁺ (до 1/4) замещена Al³⁺. При этом образовавшийся отрицательный электрический заряд компенсируется ионом К⁺, который прочно связывает пакеты между собой. Поэтому межпакетная вода в иллите отсутствует.

Кроме распространенных индивидуальных глинистых минералов, в природе существуют так называемые смешанно-слоистые минералы, пластинки которых состоят из чередующихся пакетов различных минералов, например, иллита, монтмориллонита и т.д.

Глинистые минералы в природе образуются двумя путями. Первый путь представляет собой постепенное изменение первичных минералов, что приводит к образованию новых форм кристаллических решеток. Вторичные минералы могут возникать также путем синтеза из простых продуктов распада первичных минералов: полевых шпатов, амфиболов, вулканических стекол и т.д. Образующиеся при распаде вещества вступают между собой в реакции взаимодействия, продукты которых выпадают в осадок.

Скорость разрушения первичных и механизм образования вторичных минералов зависят от ряда факторов: 1) особенности первичного минерала (кристаллическая структура, степень дисперсности, химический состав и т.д.), 2) сочетание первичных минералов, 3) температуры, 4) влажности, 5) реакции среды, 6) условий выноса продуктов выветривания, 7) жизнедеятельности организмов.

Основные породы разрушаются быстрее кислых и поэтому продукты их выветривания в большей мере обогащены каолинитом. Сухой и холодный климат замедляет разрушение минералов, а теплый и влажный - ускоряет. В условиях промывного режима происходит вымывание щелочей, щелочноземельных оснований, кремнезема, и, как следствие, из гидрослюд и монтмориллонита образовывается каолинит и галлузит.

Так как в различных гранулометрических фракциях преобладают различные минералы, поэтому рыхлые породы, подвергаясь сортировке по фракциям, сортируются 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 (< 0,001мм) резко отличается от состава более крупных фракций. Из первичных минералов в этой фракции встречается главным образом кварц, который из-за химической устойчивости может сохраниться в виде очень мелких частиц, другие минералы этой группы присутствуют в очень малых количествах. В данной фракции сосредотачивается основная масса вторичных алюмосиликатов.

Химический состав почв тесно зависит от состава почвообразующих пород. Химические элементы, входящие в состав литосферы, содержатся в ней в неодинаковых количествах. При этом состав литосферы значительно отличается от состава почвы (табл.4)

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 составляют по 2-3%, остальные химические элементы составляют менее 1%.

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, меньше, чем в литосфере -Al, Fe, Ca, Na, K и Mg. Состав почв относительно почвообразующих пород более динамичен.

Таблица 4.

Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах, в весовых % (по Виноградову, 1950)