Роль процессов выветривания в формировании минерального состава почвы

Выветривание горных пород и образование почвенных минералов. Горные породы, после их выхода на поверхность Земли, начинают разрушаться под воздействием различных факторов. Они изменяются химически, приобретают новые свойства, превращаются в рыхлые продукты. Процесс разрушения массивных горных пород и превращение их в рыхлые продукты называют выветриванием. Выветривание всегда в той или иной мере предшествует почвообразовательному процессу.

В связи с разнообразием факторов выветривания горных пород различают три его формы: физическое, химическое и биологическое. Но такое деление условно. В природе все эти формы выветривания переплетаются в единый и многогранный процесс размельчения и преобразования горных пород и минералов.

Основными факторами физического выветривания являются температура, механические силы воды, ветра, движения ледников. Они способствуют превращению горных пород в более мелкие обломки, щебень, песок и пыль, размельчают их механически, не изменяя петрографического и химического состава. В таких случаях по обломкам породы легко определить, из какого материала образовался данный рухляк. Под влиянием физических факторов выветривания массивная кристаллическая горная порода становится рыхлой, проницаемой для воды и воздуха, но еще не обладает достаточной влагоемкостью. Вместе с тем, по мере дробления горных пород увеличивается поверхность соприкосновения обломков с элементами атмосферы и биосферы, что способствует более энергичному воздействию на них химических и биологических факторов выветривания.

Под химическим выветриванием понимают совокупность таких явлений, в результате которых минералы, слагающие те или иные горные породы, подвергаются химическому распаду и изменяют химический состав и строение, причем в результате этих процессов возникают новые соединения – минералы.

Факторами химического выветривания являются атмосферная вода, углекислый газ и кислород.

Вода – энергичный растворитель горных пород и минералов. Реагентоспособность воды возрастает с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом. Последний придает воде кислую реакцию, что увеличивает ее разрушающее действие на минералы. Под влиянием воды с растворенными в ней углекислым газом и кислородом в горной породе происходит ряд существенных изменений, в результате которых образуется рыхлая тонкая масса, отличающаяся от исходной породы.

Основная реакция воды с минералами горных пород – гидролиз приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных металлов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды, т.е. происходит обменное разложение. Эту реакцию можно схематически рассмотреть на примере ортоклаза:

K2Al2Si6O16 + 2H2O → H2Al2Si6O16 + 2KOH

Образовавшееся основание (КОН) обусловливает щелочную реакцию раствора, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решетки ортоклаза с отщеплением части кремнезема и образованием каолинита:

H2Al2 Si6O16 + nH2O →H2Al2 Si2O8H2O + 4SiO2.nH2O

КОН при наличии CO2 переходит в форму карбонатов:

2KOH + CO2 →K2CO3 + H2O

Другим процессом, связанным с водой и играющим важную роль в химическом выветривании горных пород, является гидратация. Это химический процесс присоединения частиц воды к частицам минералов с образованием соединений с иными свойствами, нежели исходные. Так, при гидратации гематита (Fe2O3) образуется лимонит (Fe2O3.3H2O):

2Fe2O3 +3H2O = 2Fe2O3. 3H2O

Гидратация наблюдается также в силикатах и алюмосиликатах, что приводит к их разрыхлению и в дальнейшем обеспечивает более тесное взаимодействие с водой, воздухом и другими факторами выветривания. Впоследствии из вторичных алюмосиликатов в результате химических реакций образуются каолинит, галлуазит, монтмориллонит, нонтронит, серицит. Эти минералы имеют форму мелких кристаллов и обладают рядом основных свойств, присущих коллоидам – обменной поглотительной способностью, большой поверхностной энергией и т.п. Благодаря коллоидальным свойствам эти вторичные минералы имеют большое агрономическое значение.

В зоне выветривания также широко распространена реакция окисления. Этому процессу подвергаются многочисленные минералы, содержащие закисное железо или другие способные к окислению элементы. В качестве примера окислительных реакций при выветривании рассмотрим взаимодействие сульфидов с кислородом в водной среде. Следует отметить, что процесс окисления металлов может происходить только при наличии влаги:

2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4

12FeSO4 + 6H2O + O2 = 4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3

2Fe2(SO4)3 + 9H2O = 2Fe2O3. 3H2O + 6H2SO4

При окислении пирита, наряду с сульфатами и гидратами оксидов железа, образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов.

Присоединение к входящим в состав кристаллической решетки ионам закисного железа кислорода и воды оказывает расклинивающее действие на решетку и способствует ее дальнейшему разрушению.

Таким образом, химическое выветривание заключается в разрушении кристаллической решетки минералов и образовании соединений с иным составом и свойствами, главными причинами которого является гидратация, гидролиз и окисление.

Минеральная часть почвы — это основа ее плодородия, которая формируется в процессе выветривания горных пород. Для агронома этот процесс важен тем, что именно при выветривании высвобождаются элементы питания, изначально заблокированные в твердых минералах. Биологические факторы действуют одновременно с физическими и химическими, ускоряя разрушение материнской породы и создавая условия для развития растений.

Микроорганизмы, растения и животные не только механически разрыхляют породу, но и глубоко меняют ее химический состав. Выделяемая при дыхании углекислота повышает кислотность локальной среды и усиливает растворяющее действие воды. Кроме того, живые организмы вырабатывают органические и минеральные кислоты, которые переводят труднорастворимые соединения в доступные для растений формы.

Как живые организмы превращают бесплодную породу в почву

Живые организмы ускоряют разрушение горных пород и переводят элементы в доступную для растений форму. Выделяемые ими вещества запускают различные химические реакции. Каждый вид микроорганизмов и растений выполняет в этом процессе свою специфическую роль:

• Нитрификаторы и тионовые бактерии выделяют азотную и серную кислоты, растворяющие прочные минеральные соединения.
• Силикатные бактерии разрушают полевые шпаты и фосфориты, высвобождая доступный калий и фосфорную кислоту.
• Железобактерии окисляют и разрушают соединения железа.
• Диатомовые водоросли извлекают из горных пород кремниевую кислоту, нарушая их структуру.
• Мхи и лишайники разрушают камни химически (выделением CO2 и кислот) и механически (проникая гифами и ризоидами по плоскостям спайности минералов).

Устойчивость минералов и влияние климата на состав почвы

Скорость разрушения напрямую зависит от минералогического состава исходной породы. Одни минералы разрушаются быстро, другие остаются неизменными веками. Продукты выветривания делят на первичные, сохранившие исходный состав (кварц, слюды, полевые шпаты), и вторичные, которые синтезируются заново под влиянием среды.

• Наиболее устойчивые породы — Метаморфические (например, кварциты)
• Наименее устойчивые породы — Осадочные
• Самый устойчивый минерал — Кварц
• Средняя устойчивость минералов — Полевые шпаты
• Низкая устойчивость минералов — Минералы с закисным железом

Направление почвообразования и состав вторичных минералов определяются климатическими условиями. Главными факторами здесь выступают температура воздуха и объем осадков, которые задают интенсивность гидролиза. В зависимости от климата выветривание протекает по одному из двух типов:

• Сиаллитный тип (умеренный климат, среднее количество осадков) — образуются преимущественно вторичные алюмо- и ферросиликаты.
• Аллитный тип (влажный тропический климат) — протекает интенсивный гидролиз с образованием гидратов оксидов кремния, алюминия и железа.

В результате этих процессов массивная горная порода превращается в рыхлую кору выветривания. Она представляет собой смесь первичных и вторичных минералов, обогащенную элементами питания. Такое изменение физических и химических свойств материнской породы создает все необходимые условия для жизни культурных растений.

Количество первичных минералов, составляющих изверженные породы, исчисляется сотнями, однако, количество минералов, слагающих основную массу пород, невелико. Так, согласно У. Кларку, магматические породы имеют следующий минералогический состав: полевые шпаты – 59,5 %, амфиболы (роговые обманки) и пироксены – 16,8 %, кварц – 12,0 %, слюды – 3,8 %, прочие минералы – 7,9 %. Эти минералы, как отмечалось ранее, характеризуются различной устойчивостью к выветриванию. По прочности их можно расположить в следующей последовательности: кварц > полевые шпаты > роговые обманки и пироксены > слюды. В связи с этим относительное содержание первичных минералов в почвах и почвообразующих породах иное, чем в магматических. Преобладающим минералом в них является кварц, его доля составляет 40–60 %. Второе место занимают полевые шпаты (20 % и более), характеризующиеся большой механической прочностью, но менее устойчивые к химическому выветриванию. Также легко поддаются выветриванию амфиболы, пироксены и слюды, поэтому их содержание в почвах и рыхлых породах невелико.

Устойчивость первичных минералов к выветриванию определяется их химическим составом и кристаллической структурой. Рассматриваемые минералы обладают структурами ионного типа, образованными противоположно заряженными ионами. Пространственное расположение ионов в кристаллах минералов называется кристаллической решеткой. Она характеризуется геометрически правильным строением. Поэтому кристаллы минералов имеют форму правильных многогранников. Для каждого минерала она индивидуальна.

Взаимное расположение анионов и катионов в кристаллической решетке определяется их объемом или величиной радиуса. Число ионов противоположного заряда, окружающих данный ион, называется координационным числом. Последнее определяет взаиморасположение ионов или форму структурной единицы строения кристалла. Выделяют три основные структурные единицы: тетраэдр, октаэдр и куб. Тетраэдр представляет собой трехмерную фигуру с четырьмя треугольными сторонами. Схематично его можно представить в виде пирамиды с треугольным основанием. В центре такой пирамиды располагается катион кремния Si4+, реже алюминия Al3+, а по вершинам – ионы кислорода. Тетраэдр представляет собой компактную структуру, расстояние между ионами кислорода равно 0,28 нм. Координационное число катионов, расположенных внутри тетраэдра, равно 4.

Октаэдр можно рассматривать как две четырехсторонние пирамиды, соприкасающиеся основаниями. Он имеет восемь сторон и шесть вершин. По вершинам располагаются ионы кислорода. Пространство внутри октаэдра больше, чем в тетраэдре, связи в нем длиннее и менее прочные. Он содержит катионы средних размеров, такие как алюминий Al3+, магний Mg2+, железо Fe2+. Координационное число катионов октаэдра равно 6.

Куб – самая простая из возможных форм расположения ионов кислорода. Он обеспечивает пространство для таких катионов как Na+, Са2+, К+. Координационное число такой структурной единицы равно 8.

Главным элементом структуры широкораспространенных в почве кислородных соединений кремния является кремнекислородный тетраэдр (SiO4)4–. Он обладает четырьмя свободными валентными связями, которые могут быть компенсированы присоединением катионов или соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами.

Соединяясь между собой через кислородные ионы, тетраэдры образуют различные типы структур: островные, цепные, ленточные, листоватые (слоистые), каркасные. Распределение данных структур в минералах:

• Каркасная: полевые шпаты, кварц.
• Цепная: пироксены.
• Листоватая: слюды, глинные минералы.
• Ленточная: амфиболы.
• Островная: оливин.

В островные структуры входят кремнекислородные радикалы, включающие 1, 2, 3 и более, но конечное, число тетраэдров (рис. 55; Ремезов Н.П., 1957). В цепных, ленточных, листовых, каркасных структурах кремнекислородные тетраэдры образуют бесконечные радикалы, сочленяясь в цепочки, ленты, листы, каркасы (рис. 56; Ремезов Н.П., 1957). Формула таких радикалов показывает число атомов в элементарном звене, которое бесконечное число раз повторяется в структуре.

Рис. 55. Островные кремнекислородные радикалы

Рис. 56. Кремнекислородные радикалы: а – цепные; б – ленточные; в – листоватые

Значение первичных минералов разностороннее: от их количества зависят агрофизические свойства почвы, они являются резервным источником элементов питания для растений, из них, на их базе образуются вторичные минералы.

Вторичные минералы в почвах представлены тремя основными группами: минералы простых солей, минералы гидроксидов и оксидов и глинные минералы.

Минералы простых солей образуются при выветривании первичных минералов, а также в результате почвообразовательного процесса. Они могут накапливаться в почвах в достаточно больших количествах в условиях сухого климата. К таким минералам относятся: кальцит СаСО3, магнезит MgCO3, доломит [Ca, Mg] (CO3)2, сода Na2CO3.10Н2О, гипс СаSО4.2Н2О, мирабилит Na2SO4.10H2O, галит NаCl, сильвин KCl, фосфаты, нитраты и др.

Минералы гидроксидов и оксидов представлены гидроксидами кремния, алюминия, железа, марганца. Они образовались при выветривании первичных минералов в аморфной форме в виде гидратированных высокомолекулярных гелей, затем прошли этап дегидратации и кристаллизации с образованием оксидов и гидроксидов кристаллической структуры. Кристаллизации способствуют экстремальные температуры (как повышенные, так и пониженные), высушивание, окислительные условия почвы. К этой группе минералов относятся халцедон и кварц, образовавшиеся в результате преобразования гидроксид кремния SiO2.nН2О; пиролюзит МnO2 и псиломелан mMnO.MnO2.nH2O – производные гидроксида марганца.

Вторичные минералы: как глина определяет свойства почвы

В процессе выветривания горных пород и кристаллизации гидроксидов железа и алюминия образуются вторичные минералы. К ним относятся бемит (Al₂O₃·H₂O), гидраргилит или гиббсит (Al₂O₃·3H₂O или Al(OH)₃), гематит (Fe₂O₃), гетит (Fe₂O₃·H₂O) и гидрогетит (Fe₂O₃·3H₂O). С ростом степени окристаллизованности растворимость этих соединений снижается.

Важнейшую роль в формировании структуры играют глинные минералы — вторичные алюмо- и ферросиликаты. Они образуются при химическом взаимодействии кремнезема, полуторных оксидов и оснований (калия, магния, реже кальция и натрия). В почвах наиболее распространены группы монтмориллонита (монтмориллонит, нонтронит, бейделлит, сапонит), каолинита (каолинит, галлуазит, диккит), а также гидрослюды, вермикулит и хлориты.

Эти вторичные силикаты определяют физико-химические свойства почв. Именно они сообщают глинистой фракции пластичность, вязкость и способность к набуханию. К ключевым характеристикам глинных минералов относятся:

• Высокая дисперсность (размер пластинчатых или игольчатых кристаллов не превышает нескольких микрометров).
• Емкость поглощения — способность катионов на поверхности кристаллов обмениваться на элементы из почвенного раствора.
• Непостоянство химического состава из-за взаимного замещения элементов в кристаллической решетке (например, кремния на алюминий, алюминия на железо или магний).
• Наличие химически связанной воды, которая выделяется только при сильном нагревании.

Гранулометрический состав: основа водно-воздушного режима

В результате выветривания плотные породы превращаются в рыхлую массу, состоящую из частиц различного размера. Такая система является полидисперсной, и ее свойства напрямую зависят от соотношения фракций. Гранулометрический состав определяет водный, воздушный и тепловой режимы поля, а также условия питания растений. Более 80–90 % массы твердой фазы почвы приходится именно на минеральные компоненты.

Все механические элементы (обособленные кусочки пород, минералов и аморфных соединений) делят на две основные категории. Частицы крупнее 1 мм составляют почвенный скелет, а фракции мельче этого порога называют мелкоземом. Внутри мелкозема выделяют две ключевые группы, разделенные по границе в одну сотую миллиметра:

• Физический песок — фракции с размером частиц более 0,01 мм.
• Физическая глина — тонкие фракции с размером частиц менее 0,01 мм.

Для детальной оценки почв и пород по гранулометрическому составу используют классификацию механических элементов, группирующую их по размеру частиц.

Отдельные группы механических элементов по-разному влияют на свойства почвы. Это обусловлено их неодинаковым минералогическим и химическим составом, различными физическими и физико-химическими свойствами. Поэтому многочисленные количественные сочетания механических элементов обусловили большое разнообразие почв по гранулометрическому составу. Их (почвы), в свою очередь, объединяют по данному показателю в несколько групп.

Одну из первых научных классификаций почв по гранулометрическому составу дал Н.М. Сибирцев. Она была двучленной и основывалась на соотношении физической глины и физического песка. В настоящее время широко используется более совершенная классификация Н.А. Качинского.

По этой классификации основное разделение проведено по содержанию физической глины и физического песка. Все породы и почвы по гранулометрическому составу объединены в 9 групп с характерными для каждой группы физическими, физико-химическими и химическими свойствами. Данная классификация составлена с учетом типов почв. Это обусловлено тем, что, как отмечал Н.А. Качинский (1958), "глина или другая по механическому составу почва – это не субстрат, содержащий во всех случаях х % физической глины и y % песка, а почва, обладающая определенной вязкостью, сопротивляемостью при пахоте и прочими свойствами. А так как свойства почвы зависят не только от количества механических элементов определенной крупности, но и от свойств этих элементов, и в различных почвах они не одинаковы, то закономерно дифференцировать классификации применительно к типам почв".

В целях оттенения в гранулометрическом составе соотношения фракций гравия, песка, пыли и ила, в классификационную таблицу вводится понятие преобладающих фракций. Ими являются гравелистая фракция (1–3 мм), песчаная (0,05–1 мм), крупнопылеватая (0,01–0,05 мм), пылеватая (0,001–0,01 мм) и илистая (<0,001 мм).

В подробной классификации учитывается соотношение всех вышеназванных фракций механических элементов. Например: черноземная почва содержит 70 % физической глины, 45 % ила, 25 % пыли (средней и мелкой), 20 % крупной пыли, 10 % песка. В этой почве первой преобладающей фракцией будет ил, на втором месте по количеству будет пыль, на третьем – крупная пыль и песок. Такая почва по гранулометрическому составу будет носить следующее название: глина легкая, пылевато-иловатая.

Краткая шкала, учитывающая только соотношение физической глины и физического песка, используется при ориентировочном определении гранулометрического состава в поле (упрощенными приборами и методами) и при составлении мелкомасштабных карт. Подробная шкала рекомендуется при: картировании опытных участков и участков Госсортосети; крупномасштабных исследованиях в почвенно-мелиоративных целях; обследовании территорий под специальные культуры (свекла, хлопок, чай, виноградники, садовые культуры); всех почвенных съемках, начиная с масштаба 1:25000 и точнее.

При использовании любой из двух названных шкал, классификация каменистых почв по гранулометрическому составу должна сопровождаться указаниями на степень их каменистости. По данному показателю выделяют следующие почвы: 1) некаменистая – каменистого материала менее 0,5 %, почва в отношении обработки считается нормальной, 2) слабокаменистая – каменистого материала 0,5–5,0 %; при условии, что этот материал представлен мелким щебнем или галькой, почва обрабатывается нормально, но наблюдается ускоренный износ рабочих поверхностей орудий обработки; 3) среднекаменистая – содержание каменистого материала 5–10 %; для нормальной обработки почвы необходимо вычесывание крупного каменистого материала; 4) сильнокаменистая – каменистого материала >10 %; для возделывания однолетних культур требуются трудоемкие работы по удалению каменистого материала с поля.

Знание гранулометрического состава почв позволяет до известной степени предсказывать некоторые их свойства. Так, чем почва более глинистая, или, как принято говорить, чем она тяжелее по гранулометрическому составу, тем она должна быть более плотной, вязкой, менее водопроницаемой. И, наоборот, чем больше в почве песка, то есть чем легче по гранулометрическому составу, тем она будет менее вязкой, менее плотной, более водопроницаемой. Кроме этого, тяжелые почвы, как правило, богаче гумусом, зольными элементами и азотом, отличаются более высокой емкостью катионного обмена.

Однако это правило отражает явление лишь в самом общем виде. На перечисленные свойства почв большое влияние оказывает наличие у них структуры. Одна и та же глина в бесструктурном состоянии может быть совершенно водонепроницаемой, а при наличии прочной ореховатой структуры она будет хорошо пропускать воду.

Кроме гранулометрического состава почв, различают еще их агрегатный состав. Дело в том, что в естественных почвах отдельные минеральные зерна, из которых они состоят, т.е. отдельные механические элементы, склеены в комочки различной величины с поперечником от нескольких миллиметров до тысячных долей миллиметра. Эти комочки и называются агрегатами. Агрегаты объединяют во фракции по их размеру в соответствии с той же шкалой, что и для гранулометрического состава. На основании этого определяют агрегатный состав почв. Последний имеет большое значение для суждения о свойствах почв, так как такие агрегаты, как правило, являются водопрочными и сохраняются в почве, не распадаясь на составляющие их зернышки.

Сопоставляя гранулометрический и микроагрегатный состав, можно найти объективный численный показатель, который характеризует способность почвы образовывать агрегаты. Таковым является коэффициент дисперсности почвы (Кк), предложенный Н.А. Качинским. Он представляет собой выраженное в процентах отношение содержания илистых частиц в почве, определенное при микроагрегатном анализе (а), к их содержанию, установленному при гранулометрическом анализе (в): а

КК  100 %. в

Чем выше коэффициент дисперсности, тем более распылена почва и тем хуже ее водно-воздушные свойства и, как следствие, условия произрастания растений.