М.А. Глазовская

Смотрите также:

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Фитоценология - геоботаника

Химия почвы

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Черви и почвообразование

Дождевые черви

Вернадский. Биосфера

Геохимия - химия земли

Минералогия

Земледелие. Агрохимия почвы

Справочник агронома

Происхождение растений

Ботаника

Биология

Эволюция биосферы

Земледелие

Геоботаника

Биографии биологов, почвоведов

Эволюция

Твердая фаза занимает около 50—60% объема почвы в ее естественном сложении. В состав твердой фазы входят минеральные и органические вещества. Минеральные вещества (за исключением торфянистых горизонтов и горизонтов подстилки АО) составляют главную по массе часть твердой фазы. В гумусовых горизонтах почв минеральные вещества составляют не менее 90—95% от массы твердой фазы, а в более глубоких горизонтах их доля еще •более возрастает (до 99% и выше). Минеральная часть почв в значительной мере наследуется от почвообразующих пород, особенно в начальных стадиях почвообразования. По мере развития почвообразовательного процесса минералы почвообразующих пород претерпевают ряд изменений, особенно заметных, если почва образуется на массивнокристаллических породах.

В рыхлых почвообразующих породах и почвах минеральная часть слагается минералами, принадлежащими по своему происхождению двум группам: первичным минералам магматического и метаморфического происхождения, сохранившимся в процессах выветривания пород и последующего транспорта и отложения наносов, и вторичным минералам, образовавшимся в коре выветривания, в пленочных и полноразвитых почвах в результате стадийного разрушения первичных минералов и синтеза из более простых (конечных) продуктов выветривания.

Соотношение первичных и вторичных минералов варьирует в широких пределах и зависит от степени устойчивости исходных породообразующих минералов, условий выветривания и транспортировки выветрелого материала. Относительное содержание первичных минералов уменьшается от щебневатых и песчаных наносов к суглинистым и глинистым. Последние почти целиком сложены вторичными минералами. Относительное содержание первичных минералов уменьшается также по мере увеличения возраста продуктов выветривания и почв. Это особенно четко видно во влажных субтропических и тропических областях, где скорость выветривания наиболее высока.

Первичные минералы

В состав магматических и метаморфических горных пород входит большое количество разнообразных первичных минералов, но сравнительно немногие из них являются породообразующими, т. е. составляют основную массу пород и распространены широко. Именно породообразующие минералы служат тем первичным материалом, из которого в процессе выветривания и почвообразования образуются вторичные минералы осадочных пород, рыхлых наносов и почв.

По химическому составу большинство породообразующих минералов представлены кислородными соединениями. Это группа минералов окислов и силикатов. К минералам окислам принадлежат кварц Si02, гематит Fe203, магнетит Fe304, рутил ТЮ2 и многие другие. К силикатам — полевые шпаты, слюды, пироксены и амфиболы, оливин.

Кварц — один из самых распространенных минералов изверженных и осадочных пород, наносов и почв, составляет часто 25— 40% их массы, а в кварцевых песках и песчаниках — более 90%. Основой кристаллохимической структуры кварца являются крем- некислородные тетраэдры, представляющие собой четыре иона кислорода, расположенных по углам тетраэдра, в центре которого заключен ион кремния Si более малого радиуса, чем кислород (18, а). Кремнекислородные тетраэдры образуют сплошную каркасную структуру, обусловливающую устойчивость кварца к процессам выветривания. Это типичный остаточный минерал древних кор выветривания кварцсодержащих пород и элювиальных горизонтов почв.

Гематит и рутил распространены в меньшей степени и в почвах их не более 0,5%.

Силикаты — очень большая группа минералов, в кристаллохимической структуре которых также имеются тетраэдрические комплексы Si04, которые соединены другими ионами в более крупные тетраэдрические сообщества (18, б, в, г, 19).

К группе каркасных силикатов принадлежат очень широко распространенные минералы — полевые шпаты с трехмерными каркасами кислородных тетраэдров, внутри которых расположены ионы кремния и алюминия. Соединены тетраэдры ионами кальция, натрия и калия.

Полевые шпаты делятся на кислые с широким отношением БЮг/АЬОз, равным 5—6, и основные — с отношением Si02/Al203 —2—3.

Кислые полевые шпаты содержат преимущественно калий и натрий. К ним принадлежат широко распространенные калиевые полевые шпаты — ортоклаз и микроклин — K[AlSi308] и натровый полевой шпат альбит — Na[AlSi30g}. Кальциевый полевой шпат с низким отношением Si02/Al203 — анортит Ca[Al2Si208].

Изоморфные смеси кислого натрового полевого шпата NafAlSisOa] и основного кальциевого Ca[Al2Si20g] образуют обширную группу плагиоклазов.

Плагиоклазы с преобладанием альбита называются кислыми. Это олигоклаз — альбит, олигоклаз. Плагиоклазы с преобладанием анортита называются основными. К ним принадлежат андезин„ Лабрадор.

Кислые полевые шпаты имеют светлую окраску, основные — темную, с чем связан в значительной мере и цвет различных массивных пород. Кислые полевые шпаты обладают значительно большей устойчивостью к процессам выветр'ивания, чем основные. Наибольшей стойкостью обладает калиевый полевой шпат — микроклин. В рыхлых осадочных породах и в почвах полевые шпаты различной степени выветрелости составляют по массе около 50%.

К группе силикатов принадлежат слюды. Они имеют сложную кристаллохимическую структуру, в которой кремнекислородные тетраэдры образуют плоские сетки. Вершины обращенных друг к другу тетраэдров, принадлежащих двум сеткам, связаны ионами алюминия с гидроксильными группами ОН. Образуются таким образом трехслойные пакеты, соединенные между собой ионам» калия или кальция, магния и железа. Калийная светлая слюда — мусковит КАЦА^зОюЫОНЬ, темная, магнезиально-железистая — биотит K(Mg, Fe)3• [AlSiOio}- (ОН)г. Мусковит более устойчив при выветривании, чем биотит. Среднее содержание слюд в породах и почвах около 4—5%. Оно значительно повышается в слюдистых сланцах.

Следующую группу силикатов образуют пироксены и амфиболы. Они имеют более простую кристаллохимическую структуру, чем предыдущие группы. В основе ее также лежат кремнекислородные тетраэдры, образующие цепочки, соединенные между собой двухвалентными и одновалентными катионами: железом, алюминием, магнием, кальцием, натрием, калием. Пироксены и амфиболы — это темные зеленоватые минералы. Среди пироксенов наиболее распространен минерал авгит, а среди амфиболов — роговая обманка. Кристаллохимическая формула пироксенов R2[Si2C>6], а амфиболов— R7[Si40n]^ (ОН)2- В процессах выветривания амфиболы более устойчивы, чем пироксены, поэтому несмотря на то, что в большинстве изверженных пород (за исключением гранитов) пироксены преобладают и в некоторых породах составляют 20— 25%, в наносах и почвах обычно лучше сохраняются роговые обманки. Общее количество этих минералов в почвах варьирует от 5 до 15%.

К группе силикатов принадлежит широко распространенный в основных и ультраосновных изверженных породах минерал оливин— (Mg, Fe) -[SiOJ. Кремнекислородные тетраэдры в оливине представляют изолированные группы, соединенные двухвалентными катионами. Эта структура непрочная, поэтому оливин в зоне выветривания неустойчив, в рыхлых наносах и почвах на него приходится 0,5—1,0%.

В ряду первичных породообразующих минералов надо назвать фосфаты, среди которых широко распространен апатит Cas(ClF) • (Р04)з, встречающийся в рыхлых породах и почвах (0,3—0,5%). Апатит — источник весьма важного для плодородия почв элемента — фосфора. Залежи апатита разрабатываются в качестве фосфатных удобрений. Кроме того, апатит — источник хлора и фтора. Из бескислородных соединений среди первичных минералов присутствуют сульфиды. Наиболее распространен в породах и почвах сульфид железа — FeS2—минерал пирит (или в другой кристаллической модификации — марказит). Они встречаются в рассеянном виде и составляют 0,3—0,5%, но в некоторых изверженных и осадочных породах образуют с другими сульфидами Месторождения колчеданных руд.

Кроме названных первичных породообразующих минералов в породах и почвах встречаются в меньшем количестве так называемые аксессорные минералы. Среди них циркон Zr02Si02, ильменит FeTi03, сфен, или титанит CaTiSiOs, плавиковый шпат — CaF2,. эпидот Са2 (AlFe3+)А12[0 (ОН)Si04(Si207)].

Степень устойчивости изверженных пород и первичных минералов в условиях поверхности земли. Соотношение первичных минералов в различных изверженных породах существенно варьирует (табл. 10).

В кислых изверженных породах гранитах и гранодиоритах преобладают кварц и кислые калий-натровые полевые шпаты. В породах среднего состава (например, в диоритах) мало кварца, преобладают плагиоклазы основного состава, много амфиболов. Основные породы — габбро, диабазы — не содержат кварца, в них преобладают основные плагиоклазы и пироксены, появляется оливин. В ультраосновных породах — дунитах — основную массу составляет оливин.

Таблица 10. Приближенный минералогический состав (в %) главных типов изверженных пород (по Э. С. Ларсену, 1949)

Минералы     Гранит           Сиенит           Грано- диорит            Диорит           Габбро           Диабаз           Дунит

Кварц             25                               21        2                                                                   

Ортоклаз ....   40        72        15        3          —        —        —

Олигоклаз      26        12        —        —        —        —        —

Андезин ....    —        —        46        64        —        —        —

Лабрадор ....  —        —        —        —        65        62        —

Биотит                       5          2          3          5          1          1            —

Амфиболы     1          7          13        12        3          1          —

Пироксены . . .          —        4          —        11        20        29            95

Оливин ....     —        —        —        —        7          3         

Магнетит       2          2          1          2          2          2          3

Ильменит . . . 1          1          —        —        2          2          3

Апатит ....      Следы Следы Следы Следы —        —        —

Таблица 11. Средний химический состав (в %) главных типов изверженных пород (по Р. А. Дэли, 1936)

Окислы          Гранит (646)*           Сиенит (50)   Гранодио- риг (40)     Диорит (70)   Габбро (41)    Диабаз (90)    Дуниг (10) •

Si02    70,18   60,19   65,06   56,77   48,24   50,48   "40,49

тю2     0,39     0,67     0,56     0,84     0,97     1,45     0,02

А1203 14,47   16,28   15,94   Г6,67  17,88   15,34   0,86

Fe203  1,57     2,74     1,74     3,16     3,16     3,84     2,84

FeO     1,78     3,28     2,65     4,40     5,95     7,78     5,54

MnO   0,12     0,14     0,07     0,13     0,13     0,20     0,16

MgO   0,88     2,49     1,91     4,17     7,51     5,79     46,32

CaO     1,99     4,30     4,42     6,74     10,99   8,94     0,70

Na20   3,48     3,98     3,70     3,39     2,55     3,07     0,10

K20     4,11     4,49     2,75     2,12     0,89     0,97     0,04

P205    0,19     0,28     0,20     0,25     0,28     0,25     0,05

H20     0,84     1,16     1,04     1,36     1,45     1,89     2,88

 В скобках указано число анализов, из которых выведено значение.

Биотит более распространен в кислых и средних породах, его- мало в основных. В основных породах исчезают апатит, сфен; магнетит распределен во всех породах равномерно. Различия в минералогичёском составе изверженных пород четко проявляются и в их химическом составе (табл. 11).

Кислые породы богаты кремнеземом, содержат мало железа, кальция и магния. В породах основного и ультраосновного состава значительно уменьшается содержание кремнезема, в 2—3 раза увеличивается содержание трех- и двухвалентного железа, в 5— 6 раз возрастает содержание кальция и магния, а содержание натрия и калия, по сравнению с кислыми породами и породами среднего состава, уменьшается.

Массивнокристаллические магматические и метаморфические породы образовались в глубинах земли в условиях высокой температуры и высокого давления, в отсутствие свободных кислорода, углекислоты и воды. При выходе таких пород на земную поверхность (в результате вулканических извержений, тектонических движений и размыва земной коры) они оказываются в совершенно иной термодинамической обстановке, чем та, в которой происходило их образование. На земной поверхности при низких температурах и давлении на них воздействуют поверхностные и грунтовые воды, растворенные в воде кислород, углекислота и разнообразные органические кислоты. В этих новых условиях массивнокристаллические горные породы оказываются в большинстве случаев неустойчивыми. Они преобразуются физически и химически. Совокупность всех явлений такого преобразования называется выветриванием. В результате выветривания изменяется физическое состояние горных пород: из массивных твердых тел они превращаются в обломочные рыхлые образования. Изменяется одновременно и их минералогический и химический состав: разрушаются первичные и образуются разнообразные вторичные минералы. Физическое и химическое изменения массивнокристаллических горных пород начинаются от поверхности, протекают одновременно, ускоряя и дополняя друг друга и захватывая постепенно все более глубокие слои породы. Скорость и направление выветривания зависят от внутренних свойств самих пород и слагающих их минералов и от внешних условий (биоклиматических, геоморфологических), в которые попадают породы при выходе на поверхность земли.

К числу внутренних факторов устойчивости минералов относятся:

1.         Прочность кристаллической решетки. Она зависит, во-пер- вых, от температуры кристаллизации — чем выше температура кристаллизации минерала, тем менее прочна кристаллическая решетка. Так, у малоустойчивого оливина она равна 1890° С, а у весьма стойкого кварца — 570° С. Во-вторых, структура кристаллической решетки устойчива, если каждый ион соприкасается только с ионами другого знака (20, а, г). Нижний предел устойчивости определяется радиусом катиона, при котором окружающие его анионы еще не соприкасаются друг с другом (20, <3). Если соотношение радиусов таково, что одноименно заряженные ионы соприкасаются, а ионы другого знака не соприкасаются с ними (20, в), устойчивость теряется, так как ионы малого радиуса могут смещаться в направлении противоположно заряженного иона. В результате начинается перестройка и разрушение решетки (20, е, ж, з).

2.         Спайность минералов. Минералы с хорошо выраженной спайностью разрушаются быстрее.

3.         Размеры и форма зерен. С уменьшением размеров и соответственно увеличением удельной поверхности устойчивость уменьшается. Минералы призматической формы более устойчивы, чем таблитчатые и игольчатые. Ниже приводятся ряды устойчивости наиболее широко распространенных минералов согласно Грэму и Гольдичу (1938):

Степень устойчивости

Очень неустойчивые Неустойчивые Среднеустойчивые Устойчивые Наиболее устойчивые

Минералы

Оливин, апатит, анортит, битовнит Авгит, роговая обманка, Лабрадор Биотит, андезин, гранат, зпидот Ортоклаз, микроклин, альбит, олигоклаз Кварц, мусковит, циркон, турмалин, рутил, ильменит, анатаз, кианит, титанит, магнетит

Из внешних факторов, влияющих на скорость разрушения пород и минералов, прежде всего необходимо назвать биоклиматические и геоморфологические условия.

Процессы физической дезинтеграции пород идут наиболее интенсивно в условиях резких смен температуры и особенно при частых сменах положительных и отрицательных температур. Последнее характерно для полярных и высокогорных областей и экстраконтинентальных пустынь. Процессам биохимического выветривания пород и минералов способствуют высокие температуры и влажность, обилие органических остатков. Наиболее быстро породы и минералы изменяются химически во влажных субтропиках и тропиках, к умеренным и полярным областям скорость биохимического процесса выветривания уменьшается.

Более быстрому протеканию процессов биохимического выветривания способствует удаление подвижных продуктов распада из выветривающихся пород и почвенной толщи. Поэтому в условиях хорошо дренированного рельефа при обилии осадков выветривание идет быстрее, чем в условиях затрудненного дренажа и аридного климата.

К содержанию книги: МАРИЯ АЛЬФРЕДОВНА ГЛАЗОВСКАЯ - Общее почвоведение и география почв