Роль процесів вивітрювання у формуванні мінерального складу ґрунту

Вивітрювання гірських порід та утворення ґрунтових мінералів. Гірські породи після їх виходу на поверхню Землі починають руйнуватися під впливом різних факторів. Вони змінюються хімічно, набувають нових властивостей, перетворюються на пухкі продукти. Процес руйнування масивних гірських порід і перетворення їх на пухкі продукти називають вивітрюванням. Вивітрювання завжди тією чи іншою мірою передує процесу ґрунтоутворення.

У зв'язку з різноманітністю факторів вивітрювання гірських порід розрізняють три його форми: фізичне, хімічне та біологічне. Але такий поділ є умовним. У природі всі ці форми вивітрювання переплітаються в єдиний і багатогранний процес подрібнення та перетворення гірських порід і мінералів.

Основними факторами фізичного вивітрювання є температура, механічні сили води, вітру, руху льодовиків. Вони сприяють перетворенню гірських порід на дрібніші уламки, щебінь, пісок і пил, подрібнюють їх механічно, не змінюючи петрографічного та хімічного складу. У таких випадках за уламками породи легко визначити, з якого матеріалу утворився цей пухкий продукт. Під впливом фізичних факторів вивітрювання масивна кристалічна гірська порода стає пухкою, проникною для води та повітря, але ще не має достатньої вологоємності. Разом з тим, у міру дроблення гірських порід збільшується поверхня зіткнення уламків з елементами атмосфери та біосфери, що сприяє більш енергійному впливу на них хімічних і біологічних факторів вивітрювання.

Під хімічним вивітрюванням розуміють сукупність таких явищ, в результаті яких мінерали, що складають ті чи інші гірські породи, піддаються хімічному розпаду та змінюють хімічний склад і будову, причому в результаті цих процесів виникають нові сполуки – мінерали.

Факторами хімічного вивітрювання є атмосферна вода, вуглекислий газ та кисень.

Вода – енергійний розчинник гірських порід і мінералів. Реагентоздатність води зростає з підвищенням температури та насиченням її вуглекислим газом. Останній надає воді кислої реакції, що збільшує її руйнівну дію на мінерали. Під впливом води з розчиненими в ній вуглекислим газом і киснем у гірській породі відбувається ряд суттєвих змін, у результаті яких утворюється пухка тонка маса, що відрізняється від вихідної породи.

Основна реакція води з мінералами гірських порід – гідроліз призводить до заміни катіонів лужних і лужноземельних металів кристалічної решітки на іони водню дисоційованих молекул води, тобто відбувається обмінне розкладання. Цю реакцію можна схематично розглянути на прикладі ортоклазу:

K2Al2Si6O16 + 2H2O → H2Al2Si6O16 + 2KOH

Утворена основа (КОН) зумовлює лужну реакцію розчину, при якій відбувається подальше руйнування кристалічної решітки ортоклазу з відщепленням частини кремнезему та утворенням каолініту:

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

КОН при наявності CO2 переходить у форму карбонатів:

2KOH + CO2 →K2CO3 + H2O

Іншим процесом, пов'язаним з водою і який відіграє важливу роль у хімічному вивітрюванні гірських порід, є гідратація. Це хімічний процес приєднання частинок води до частинок мінералів з утворенням сполук з іншими властивостями, ніж вихідні. Так, при гідратації гематиту (Fe2O3) утворюється лімоніт (Fe2O3.3H2O):

2Fe2O3 +3H2O = 2Fe2O3. 3H2O

Гідратація спостерігається також у силікатах і алюмосилікатах, що призводить до їх розпушування і в подальшому забезпечує більш тісну взаємодію з водою, повітрям та іншими факторами вивітрювання. Згодом із вторинних алюмосилікатів у результаті хімічних реакцій утворюються каолініт, галуазит, монтморилоніт, нонтроніт, серицит. Ці мінерали мають форму дрібних кристалів і володіють рядом основних властивостей, притаманних колоїдам – обмінною поглинальною здатністю, великою поверхневою енергією тощо. Завдяки колоїдальним властивостям ці вторинні мінерали мають велике агрономічне значення.

У зоні вивітрювання також широко поширена реакція окислення. Цьому процесу піддаються численні мінерали, що містять закисне залізо або інші здатні до окислення елементи. Як приклад окислювальних реакцій при вивітрюванні розглянемо взаємодію сульфідів з киснем у водному середовищі. Слід зазначити, що процес окислення металів може відбуватися тільки за наявності вологи:

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

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

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

При окисленні піриту, поряд із сульфатами та гідратами оксидів заліза, утворюється сірчана кислота, що бере участь у створенні нових мінералів.

Приєднання до іонів закисного заліза, що входять до складу кристалічної ґратки, кисню та води чинить розклинювальну дію на ґратку і сприяє її подальшому руйнуванню.

Таким чином, хімічне вивітрювання полягає в руйнуванні кристалічної ґратки мінералів та утворенні сполук з іншим складом і властивостями, головними причинами якого є гідратація, гідроліз та окиснення.

Мінеральна частина ґрунту — це основа його родючості, яка формується в процесі вивітрювання гірських порід. Для агронома цей процес важливий тим, що саме під час вивітрювання вивільняються елементи живлення, спочатку заблоковані в твердих мінералах. Біологічні фактори діють одночасно з фізичними та хімічними, прискорюючи руйнування материнської породи і створюючи умови для розвитку рослин.

Мікроорганізми, рослини і тварини не тільки механічно розпушують породу, а й глибоко змінюють її хімічний склад. Вуглекислота, що виділяється при диханні, підвищує кислотність локального середовища і посилює розчинювальну дію води. Крім того, живі організми виробляють органічні та мінеральні кислоти, які переводять важкорозчинні сполуки у доступні для рослин форми.

Як живі організми перетворюють безплідну породу на ґрунт

Живі організми прискорюють руйнування гірських порід і переводять елементи у доступну для рослин форму. Речовини, що ними виділяються, запускають різні хімічні реакції. Кожен вид мікроорганізмів і рослин виконує в цьому процесі свою специфічну роль:

• Нітрифікатори та тіонові бактерії виділяють азотну та сірчану кислоти, що розчиняють міцні мінеральні сполуки.
• Силікатні бактерії руйнують польові шпати та фосфорити, вивільняючи доступний калій та фосфорну кислоту.
• Залізобактерії окиснюють і руйнують сполуки заліза.
• Діатомові водорості витягують із гірських порід кремнієву кислоту, порушуючи їхню структуру.
• Мохи та лишайники руйнують каміння хімічно (виділенням CO2 та кислот) і механічно (проникаючи гіфами та ризоїдами по площинах спайності мінералів).

Стійкість мінералів та вплив клімату на склад ґрунту

Швидкість руйнування безпосередньо залежить від мінералогічного складу вихідної породи. Одні мінерали руйнуються швидко, інші залишаються незмінними століттями. Продукти вивітрювання поділяють на первинні, що зберегли вихідний склад (кварц, слюди, польові шпати), і вторинні, які синтезуються заново під впливом середовища.

• Найстійкіші породи — Метаморфічні (наприклад, кварцити)
• Найменш стійкі породи — Осадові
• Найстійкіший мінерал — Кварц
• Середня стійкість мінералів — Польові шпати
• Низька стійкість мінералів — Мінерали із закисним залізом

Напрямок ґрунтоутворення та склад вторинних мінералів визначаються кліматичними умовами. Головними факторами тут виступають температура повітря та обсяг опадів, які задають інтенсивність гідролізу. Залежно від клімату вивітрювання відбувається за одним із двох типів:

• Сіалітний тип (помірний клімат, середня кількість опадів) — утворюються переважно вторинні алюмо- та феросилікати.
• Алітний тип (вологий тропічний клімат) — відбувається інтенсивний гідроліз з утворенням гідратів оксидів кремнію, алюмінію та заліза.

У результаті цих процесів масивна гірська порода перетворюється на пухку кору вивітрювання. Вона являє собою суміш первинних і вторинних мінералів, збагачену елементами живлення. Така зміна фізичних і хімічних властивостей материнської породи створює всі необхідні умови для життя культурних рослин.

Кількість первинних мінералів, що складають вивержені породи, обчислюється сотнями, проте кількість мінералів, які складають основну масу порід, невелика. Так, згідно з В. Кларком, магматичні породи мають такий мінералогічний склад: польові шпати – 59,5 %, амфіболи (рогові обманки) та піроксени – 16,8 %, кварц – 12,0 %, слюди – 3,8 %, інші мінерали – 7,9 %. Ці мінерали, як зазначалося раніше, характеризуються різною стійкістю до вивітрювання. За міцністю їх можна розташувати в такій послідовності: кварц > польові шпати > рогові обманки та піроксени > слюди. У зв'язку з цим відносний вміст первинних мінералів у ґрунтах та ґрунтоутворювальних породах інший, ніж у магматичних. Переважаючим мінералом у них є кварц, його частка становить 40–60 %. Друге місце займають польові шпати (20 % і більше), що характеризуються великою механічною міцністю, але менш стійкі до хімічного вивітрювання. Також легко піддаються вивітрюванню амфіболи, піроксени та слюди, тому їх вміст у ґрунтах і пухких породах невеликий.

Стійкість первинних мінералів до вивітрювання визначається їхнім хімічним складом і кристалічною структурою. Розглянуті мінерали мають структури іонного типу, утворені протилежно зарядженими іонами. Просторова розстановка іонів у кристалах мінералів називається кристалічною ґраткою. Вона характеризується геометрично правильною будовою. Тому кристали мінералів мають форму правильних багатогранників. Для кожного мінералу вона індивідуальна.

Взаємне розташування аніонів і катіонів у кристалічній ґратці визначається їх об'ємом або величиною радіуса. Число іонів протилежного заряду, що оточують даний іон, називається координаційним числом. Останнє визначає взаєморозташування іонів або форму структурної одиниці будови кристала. Виділяють три основні структурні одиниці: тетраедр, октаедр і куб. Тетраедр являє собою тривимірну фігуру з чотирма трикутними сторонами. Схематично його можна представити у вигляді піраміди з трикутною основою. У центрі такої піраміди розташовується катіон кремнію Si4+, рідше алюмінію Al3+, а по вершинах – іони кисню. Тетраедр являє собою компактну структуру, відстань між іонами кисню дорівнює 0,28 нм. Координаційне число катіонів, розташованих всередині тетраедра, дорівнює 4.

Октаедр можна розглядати як дві чотиристоронні піраміди, що стикаються основами. Він має вісім сторін і шість вершин. По вершинах розташовуються іони кисню. Простір всередині октаедра більший, ніж у тетраедрі, зв'язки в ньому довші і менш міцні. Він містить катіони середніх розмірів, такі як алюміній Al3+, магній Mg2+, залізо Fe2+. Координаційне число катіонів октаедра дорівнює 6.

Куб – найпростіша з можливих форм розташування іонів кисню. Він забезпечує простір для таких катіонів як Na+, Са2+, К+. Координаційне число такої структурної одиниці дорівнює 8.

Головним елементом структури широкорозповсюджених у ґрунті кисневих сполук кремнію є кремнекисневий тетраедр (SiO4)4–. Він володіє чотирма вільними валентними зв'язками, які можуть бути компенсовані приєднанням катіонів або з'єднанням з іншими кремнекисневими тетраедрами.

З'єднуючись між собою через кисневі іони, тетраедри утворюють різні типи структур: острівні, ланцюгові, стрічкові, листові (шаруваті), каркасні. Розподіл даних структур у мінералах:

• Каркасна: польові шпати, кварц.
• Ланцюгова: піроксени.
• Листова: слюди, глинисті мінерали.
• Стрічкова: амфіболи.
• Острівна: олівін.

В острівні структури входять кремнекисневі радикали, що включають 1, 2, 3 і більше, але кінцеве, число тетраедрів (рис. 55; Ремезов Н.П., 1957). У ланцюгових, стрічкових, листових, каркасних структурах кремнекисневі тетраедри утворюють нескінченні радикали, зчленовуючись у ланцюжки, стрічки, листи, каркаси (рис. 56; Ремезов Н.П., 1957). Формула таких радикалів показує число атомів в елементарній ланці, яка нескінченну кількість разів повторюється в структурі.

Рис. 55. Острівні кремнекисневі радикали

Рис. 56. Кремнекисневі радикали: а – ланцюгові; б – стрічкові; в – листові

Значення первинних мінералів різнобічне: від їх кількості залежать агрофізичні властивості ґрунту, вони є резервним джерелом поживних речовин для рослин, з них, на їхній базі утворюються вторинні мінерали.

Вторинні мінерали у ґрунтах представлені трьома основними групами: мінерали простих солей, мінерали гідроксидів і оксидів та глинисті мінерали.

Мінерали простих солей утворюються при вивітрюванні первинних мінералів, а також у результаті ґрунтоутворювального процесу. Вони можуть накопичуватися в ґрунтах у досить великих кількостях в умовах сухого клімату. До таких мінералів належать: кальцит СаСО3, магнезит MgCO3, доломіт [Ca, Mg] (CO3)2, сода Na2CO3.10Н2О, гіпс СаSО4.2Н2О, мірабіліт Na2SO4.10H2O, галіт NаCl, сильвін KCl, фосфати, нітрати та ін.

Мінерали гідроксидів і оксидів представлені гідроксидами кремнію, алюмінію, заліза, марганцю. Вони утворилися при вивітрюванні первинних мінералів в аморфній формі у вигляді гідратованих високомолекулярних гелів, потім пройшли етап дегідратації і кристалізації з утворенням оксидів і гідроксидів кристалічної структури. Кристалізації сприяють екстремальні температури (як підвищені, так і знижені), висушування, окиснювальні умови ґрунту. До цієї групи мінералів належать халцедон і кварц, що утворилися в результаті перетворення гідроксиду кремнію SiO2.nН2О; піролюзит МnO2 і псиломелан mMnO.MnO2.nH2O – похідні гідроксиду марганцю.

Вторинні мінерали: як глина визначає властивості ґрунту

У процесі вивітрювання гірських порід і кристалізації гідроксидів заліза і алюмінію утворюються вторинні мінерали. До них належать беміт (Al₂O₃·H₂O), гідраргіліт або гібсит (Al₂O₃·3H₂O або Al(OH)₃), гематит (Fe₂O₃), гетит (Fe₂O₃·H₂O) і гідрогетит (Fe₂O₃·3H₂O). З ростом ступеня окристалізованості розчинність цих сполук знижується.

Найважливішу роль у формуванні структури відіграють глинисті мінерали — вторинні алюмо- і феросилікати. Вони утворюються при хімічній взаємодії кремнезему, полуторних оксидів і основ (калію, магнію, рідше кальцію і натрію). У ґрунтах найбільш поширені групи монтморилоніту (монтморилоніт, нонтроніт, бейделіт, сапоніт), каолініту (каолініт, галуазит, дикіт), а також гідрослюди, вермикуліт і хлорити.

Ці вторинні силікати визначають фізико-хімічні властивості ґрунтів. Саме вони надають глинистій фракції пластичності, в'язкості та здатності до набухання. До ключових характеристик глинистих мінералів належать:

• Висока дисперсність (розмір пластинчастих або голчастих кристалів не перевищує кількох мікрометрів).
• Ємність поглинання — здатність катіонів на поверхні кристалів обмінюватися на елементи з ґрунтового розчину.
• Непостійність хімічного складу через взаємне заміщення елементів у кристалічній ґратці (наприклад, кремнію на алюміній, алюмінію на залізо або магній).
• Наявність хімічно зв'язаної води, яка виділяється тільки при сильному нагріванні.

Гранулометричний склад: основа водно-повітряного режиму

У результаті вивітрювання щільні породи перетворюються на пухку масу, що складається з частинок різного розміру. Така система є полідисперсною, і її властивості безпосередньо залежать від співвідношення фракцій. Гранулометричний склад визначає водний, повітряний та тепловий режими поля, а також умови живлення рослин. Більше 80–90 % маси твердої фази ґрунту припадає саме на мінеральні компоненти.

Усі механічні елементи (відокремлені шматочки порід, мінералів та аморфних сполук) ділять на дві основні категорії. Частинки, більші за 1 мм, становлять ґрунтовий скелет, а фракції, дрібніші за цей поріг, називають дрібноземом. Усередині дрібнозему виділяють дві ключові групи, розділені за межею в одну соту міліметра:

• Фізичний пісок — фракції з розміром частинок понад 0,01 мм.
• Фізична глина — тонкі фракції з розміром частинок менше 0,01 мм.

Для детальної оцінки ґрунтів і порід за гранулометричним складом використовують класифікацію механічних елементів, що групує їх за розміром частинок.

Окремі групи механічних елементів по-різному впливають на властивості ґрунту. Це зумовлено їхнім неоднаковим мінералогічним та хімічним складом, різними фізичними та фізико-хімічними властивостями. Тому численні кількісні поєднання механічних елементів зумовили велике різноманіття ґрунтів за гранулометричним складом. Їх (ґрунти), своєю чергою, об'єднують за цим показником у кілька груп.

Одну з перших наукових класифікацій ґрунтів за гранулометричним складом дав М.М. Сибірцев. Вона була двочленною і базувалася на співвідношенні фізичної глини та фізичного піску. У наш час широко використовується більш досконала класифікація М.О. Качинського.

За цією класифікацією основний поділ проведено за вмістом фізичної глини та фізичного піску. Усі породи та ґрунти за гранулометричним складом об'єднані в 9 груп із характерними для кожної групи фізичними, фізико-хімічними та хімічними властивостями. Ця класифікація складена з урахуванням типів ґрунтів. Це зумовлено тим, що, як зазначав М.О. Качинський (1958), "глина або інший за механічним складом ґрунт – це не субстрат, що містить у всіх випадках х % фізичної глини та y % піску, а ґрунт, що володіє певною в'язкістю, опором при оранці та іншими властивостями. А оскільки властивості ґрунту залежать не тільки від кількості механічних елементів певної крупності, а й від властивостей цих елементів, і в різних ґрунтах вони не однакові, то закономірно диференціювати класифікації стосовно типів ґрунтів".

З метою відтінення в гранулометричному складі співвідношення фракцій гравію, піску, пилу та мулу, в класифікаційну таблицю вводиться поняття переважаючих фракцій. Ними є гравіювата фракція (1–3 мм), піщана (0,05–1 мм), крупнопилувата (0,01–0,05 мм), пилувата (0,001–0,01 мм) та мулиста (<0,001 мм).

У детальній класифікації враховується співвідношення всіх вищезгаданих фракцій механічних елементів. Наприклад: чорноземний ґрунт містить 70 % фізичної глини, 45 % мулу, 25 % пилу (середнього та дрібного), 20 % крупного пилу, 10 % піску. У цьому ґрунті першою переважаючою фракцією буде мул, на другому місці за кількістю буде пил, на третьому – крупний пил і пісок. Такий ґрунт за гранулометричним складом матиме назву: глина легка, пилувато-мулиста.

Коротка шкала, що враховує лише співвідношення фізичної глини та фізичного піску, використовується при орієнтовному визначенні гранулометричного складу в полі (спрощеними приладами та методами) і при складанні дрібномасштабних карт. Детальна шкала рекомендується при: картографуванні дослідних ділянок та ділянок Держсортомережі; великомасштабних дослідженнях у ґрунтово-меліоративних цілях; обстеженні територій під спеціальні культури (буряк, бавовна, чай, виноградники, садові культури); всіх ґрунтових зйомках, починаючи з масштабу 1:25000 і точніше.

При використанні будь-якої з двох названих шкал, класифікація кам'янистих ґрунтів за гранулометричним складом повинна супроводжуватися вказівками на ступінь їхньої кам'янистості. За цим показником виділяють такі ґрунти: 1) некам'янистий – кам'янистого матеріалу менше 0,5 %, ґрунт щодо обробітку ґрунту вважається нормальним, 2) слабокам'янистий – кам'янистого матеріалу 0,5–5,0 %; за умови, що цей матеріал представлений дрібним щебенем або галькою, ґрунт обробляється нормально, але спостерігається прискорене зношення робочих поверхонь знарядь обробітку; 3) середньокам'янистий – вміст кам'янистого матеріалу 5–10 %; для нормального обробітку ґрунту необхідно вичісування великого кам'янистого матеріалу; 4) сильнокам'янистий – кам'янистого матеріалу >10 %; для вирощування однорічних культур потрібні трудомісткі роботи з видалення кам'янистого матеріалу з поля.

Знання гранулометричного складу ґрунтів дозволяє до певної міри передбачати деякі їхні властивості. Так, чим ґрунт більш глинистий, або, як прийнято говорити, чим він важчий за гранулометричним складом, тим він повинен бути більш щільним, в'язким, менш водопроникним. І, навпаки, чим більше в ґрунті піску, тобто чим легший він за гранулометричним складом, тим він буде менш в'язким, менш щільним, більш водопроникним. Крім цього, важкі ґрунти, як правило, багатші на гумус, зольні елементи та азот, відрізняються більш високою ємністю катіонного обміну.

Однак це правило відображає явище лише в найзагальнішому вигляді. На перелічені властивості ґрунтів великий вплив справляє наявність у них структури. Одна й та сама глина в безструктурному стані може бути цілком водонепроникною, а за наявності міцної горіхуватої структури вона добре пропускатиме воду.

Окрім гранулометричного складу ґрунтів, розрізняють ще їхній агрегатний склад. Річ у тім, що в природних ґрунтах окремі мінеральні зерна, з яких вони складаються, тобто окремі механічні елементи, склеєні в грудочки різної величини з поперечником від кількох міліметрів до тисячних часток міліметра. Ці грудочки і називаються агрегатами. Агрегати об'єднують у фракції за їхнім розміром відповідно до тієї ж шкали, що і для гранулометричного складу. На підставі цього визначають агрегатний склад ґрунтів. Останній має велике значення для судження про властивості ґрунтів, оскільки такі агрегати, як правило, є водотривкими і зберігаються в ґрунті, не розпадаючись на зернятка, що їх складають.

Зіставляючи гранулометричний та мікроагрегатний склад, можна знайти об'єктивний числовий показник, який характеризує здатність ґрунту утворювати агрегати. Таким є коефіцієнт дисперсності ґрунту (Кд), запропонований М.О. Качинським. Він являє собою виражене у відсотках відношення вмісту мулистих часток у ґрунті, визначене при мікроагрегатному аналізі (а), до їхнього вмісту, встановленого при гранулометричному аналізі (в): а

КД  100 %. в

Чим вищий коефіцієнт дисперсності, тим більше розпорошений ґрунт і тим гірші його водно-повітряні властивості і, як наслідок, умови росту рослин.