Высвободившаяся при выветривании
кремниевая кислота при слабокислой реакции
частично переходит в состояние геля (SiO2nH2O), при слабощелочной
- золя. В дальнейшем аморфный кремнегель
может терять
воду и закристаллизоваться,
образуя вторичный кварц. Кроме этого,
часть кремниевой кислоты может образовывать
с основаниями растворимые в воде соли,
которые впоследствии могут быть вымыты.
В коллоидном и растворенном состоянии
кремниевая кислота может вступать в реакцию
с полуторными окислами, образуя при этом
сложные соединения. Аморфные соединения,
содержащие SiO2 и R2O3 в разных соотношениях
называются аллофонами.Теряя
воду, гидраты полуторных окислов могут
постепенно кристаллизоваться, образуя
вторичные минералы: лимонит - 2Fe2O3 · 3H2O, гетит - Fe2O3 · H2O, гематит
- Fe2O3, гиббсит -
Al2O3 · 3H2O, бемит - Al2O3 · H2O.
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
вторичныеалюмосиликаты 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 (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 каолинита имеют
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: О2¯ 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. К этой группе минералов
относятся, кроме каолита, галлузит
(структурная формула Al2Si2O5(OH4) · 2Н2О), метагаллузит
(Al2Si2O5(OH)4 · 4Н2О), диккит
и накрит.
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 аллюминий
в октаэдрическом слое замещается Fe2+ и Fe3+, Mg2+ и другими
металлами. Например, у минерала бейделлита
в отличие от монтмориллонита один из
четырех ионов Si4+ тетраэдрического
слоя замещен Al3+, появившийся
избыточный отрицательный заряд компенсируется
ионом гидроксила (Al3Si3O9(OH)3 · nH2O. К этой же
группе принадлежит минерал нонтронит
с формулой Fe2Si4O10(OH)3 · nH2O, где в октаэдрах
ион Al3+замещен
на Fe3+.
Из глинных минералов в почвах
большое место принадлежит группе гидрослюд,
в которую входят гидромусковит (иллит),
гидробиотит и другие гидротизированные
слюды. Кристаллическая решетка иллита
построена так же, как и у монтмориллонита.
Разница состоит в том, что в тетраэдрах
часть Si4+ (до 1/4) защищена
Al3+. При этом
образовавшийся отрицательный электрический
заряд компенсируется ионом К+, который
прочно связывает пакеты между собой.
Поэтому межпакетная вода в иллите отсутствует. Гидробиотит образуется
из биотита - слюды темного цвета, в которой
все октаэдрические места заняты Mg2+ и Fe2+.
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.
Существует так же еще группа
вторичных минералов: аллофоны. Они
состоят из тетраэдров и октаэдров, но
расположены беспорядочно, поэтому вследствие
отсутствия кристаллического строения
они обладают аморфными свойствами.
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.
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 комбинации в
шестерную;
5) частичный вынос кремнезема.
Образование слюдоподобных
минералов из полевых шпатов происходит
вследствие выноса части SiO2, K2O, CaO. Гидратация
способствует замещению некоторого количества
ионов К+ ионами Н+, что приводит
к образованию слюд. Этот процесс можно
проиллюстрировать на примере превращения
монтмориллонита в гиббсит.
При отслоении одного тетраэдрического
слоя у монтмориллонита приводит к образованию
каолинита, при этом ионы кислорода “кислородных
мостиков” замещаются гидроксилами. В
дальнейшем при присоединении воды каолинитом
из него образуется гиббcит и SiO2.
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. Поэтому более древние почвы,
подвергавшиеся процессам выветривания
и почвообразования, содержат относительно
много минералов группы каолинита, гибсита
и гетита, которые являются конечными
продуктами выветривания.
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.
Растения, которые в процессе
жизни взаимодействуют с почвой (поглощение
воды, элементов питания, кислорода, а
так же выделение продуктов жизнедеятельности),
вносят существенные изменения в состав
и свойства почвенного раствора, реакцию
среды, значение окислительно-восстановительного
потенциала, что в значительной мере оказывает
влияние на условия разрушения и синтеза
минералов.
Как отмечалось выше, число
первичных минералов в природе невелико,
поэтому и количество вторичных минералов
не отличается большим разнообразием.
Наиболее часто встречающимися минералами
являются группы гидрослюд (гидробиотит)
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, 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
- монтмориллонит, каолинит, иллитовые
минералы, вермикулит. Сохранность полевых
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
неодинаковых количествах. При этом состав
литосферы значительно отличается от
состава почвы (табл. 5, Прил. №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 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. [2, 3, 6].
- Гранулометрический
состав
Гранулометрическим составов
почв и грунтов называется относительное
содержание в них частиц различной величины,
в весовых процентах, при высушенной при
температуре 105 градусов Цельсия почвы.
Механический (гранулометрический)
состав оказывает влияние на ряд важных
свойств почвы: пористость, водопроницаемость,
высоту капиллярного поднятия, величину
поглотительной способности, водный, воздушный
и тепловой режим почвы, усадку и набухание.
В производственном отношении
лучшими являются суглинистые почвы (легко
и средне суглинистые).
Песчаные почвы бесструктурны,
бедны органическим веществом и зольными
элементами питания растений, но хорошо
водопроницаемы и легко обрабатываются.
Глинистые почвы, наоборот, плохо водопроницаемы,
слабо аэрируются, с трудом обрабатываются,
образуя глинистую корку, однако богаты
зольными элементами.
Содержание почвенных частиц
разной величины определяется различными
методами гранулометрического анализа.
В результате этого выделяются группы
частиц определенного размера, так называемые
гранулометрические фракции. При этом
гранулометрические фракции отличаются
минеральным составом и некоторыми свойствами.
Согласно Н.А. Качинскому 1 (1957), выделяются
следующие группы частиц:
- камни - более 3 мм;
- гравий - от 1 до 3 мм;
- песок - от 0,25 до 1 мм;
- пыль - от 0,001 до 0,25 мм;
- ил (глина) - менее 0,001 мм.
Почвы и грунты большей частью
по гранулометрическому составу представляют
собой смеси различных частиц. По соотношению
содержания частиц различной величины
почвы и грунты классифицируются на ряд
разновидностей. Наиболее крупные группы
этих разновидностей - пески, супеси, суглинки
и глины.
Фракции частиц различной величины
имеют различный минеральный состав. В
европейской части России частицы крупнее
10 мм состоят почти исключительно из обломков
пород. Частицы величиной от 10 до 3 мм -
обломки пород и отдельные породообразующие
минералы. Частицы величиной от 3 до 0,25
мм - исключительно породообразующие минералы,
причем с уменьшением размера частиц возрастает
процентное содержание кварца. Частицы
от 0,25 до 0,01 мм состоят почти полностью
из чистого кварца. Частицы мельче 0,001
мм представляют преимущественно смесь
глинистых минералов с незначительным
количеством гидроксидов железа и некоторых
других минеральных образований.
В почвоведении иногда используют
термин "физическая глина", под которым
понимается сумма частиц менее 0,01 мм. Изучение
минерального состава различных гранулометрических
фракций почв и почвообразующих пород
показывает, что объединение частиц величиной
менее 0,01 мм в единую фракцию мало обосновано.
Понятие "глина" должно отвечать
фракции частиц величиной менее 0,001 мм.
Некоторые исследователи относят к глине
частицы менее 0,005 мм, что так же не совсем
правильно.