Поиск

Важнейшие первичные минералы почв
28.10.2015

Первичные минералы, составляющие твердую фазу почв, являются остаточным материалом после разрушения и выветривания изверженных массивно-кристаллических пород. Большая часть первичных минералов, находящихся в почвах, представлена относительно крупными песчаными и гравийными частицами. Первичные минералы имеют жесткую неподвижную кристаллическую решетку, практически не обладают влагоемкостью, физико-химической поглотительной способностью, не набухают. В условиях почвообразовательного процесса первичные минералы отличаются неустойчивостью и постепенно разрушаются под воздействием организмов, климатических агентов и водных растворов. Исключение составляют лишь немногие наиболее стойкие минералы.
Состав и соотношение первичных минералов мало отражают особенности почвообразовательного процесса. Ho они характеризуют происхождение почвообразующих пород. Обилие первичных минералов в почвах говорит об их относительной молодости. С возрастом почв содержание и число видов первичных минералов постепенно уменьшаются. В древних палеоавтоморфных почвах первичные минералы представлены наиболее стойкими против выветривания видами. В процессе выветривания и почвообразования первичные минералы отдают в почвенные воды растворимые компоненты, а в состав тканей высших и низших растений — важнейшие элементы минерального питания растений: фосфор, калий, серу, кальций, магний, микроэлементы.
Среди почвенных минералов силикаты и алюмосиликаты разного рода абсолютно преобладают над всеми другими минералами. Многие почвенные минералы являются аморфными. Ho кристаллические минералы (все первичные и большинство вторичных) в почвах обычно преобладают.
Кристаллические решетки силикатов построены из катионов кремния и анионов кислорода, образующих первичную структурную единицу — кремне-кислородный тетраэдр (SiO4)4-, который характеризуется преобладанием отрицательного заряда. Кремне-кислородные тетраэдры могут быть взаимно изолированными, как, например, в кристаллических решетках ортосиликатов, или сочетаться между собой путем образования кремне-кислородных групп, имеющих один, два и больше общих ионов кислорода.
Так, например, у кварца все четыре иона кислорода одного тетраэдра являются общими и для соседних тетраэдров, поэтому его структура представляет собой трехмерный каркас весьма высокой прочности.
В природе широко распространено явление замещения кремне-кислородных тетраэдров в кристаллической решетке алюмо-кислородным тетраэдром (AlO4)5-, который имеет больший отрицательный заряд. Полевые шпаты являются именно такими минералами, в кристаллической решетке которых часть (SiO4)4- замещена (AlO4)5-, и соответственно этому они содержат большее количество натрия, калия или кальция. Полевые шпаты построены так же, как и кварц, трехмерными каркасами из кремне-кислородных и алюмо-кислородных тетраэдров. Ho они менее прочны, чем кварц. Ионы Al и ОН образуют другую очень прочную структурную единицу — октаэдр [Al(OH)6]3-, входящий в структуру многих минералов вместе с кремне-кислородными тетраэдрами (например, слюды, глинные минералы). Алюмо-гидроксильные октаэдры могут и самостоятельно образовывать кристаллические решетки минералов (гидраргиллит).
Сочетания кремне-кислородных (алюмо-кислородных) тетраэдров в виде цепочек, лент, листов, их сочетания с алюмо-гидроксильными октаэдрами в форме перемежающихся слоев создают поразительное разнообразие структур и химического состава первичных и особенно вторичных минералов. Это разнообразие усиливается тем, что алюминий в октаэдрах легко замещается магнием, двухвалентным железом и многими микроэлементами, а трехвалентное железо в тетраэдрах замещает кремний.
Полевые шпаты. Это большая группа широко распространенных относительно стойких минералов изверженных и осадочных пород, а также почв. Они составляют до 50—60% массы земной коры. Их цвет варьирует от желтого и белого до розового и красного, с ярким сияющим отсветом на изломах и гранях. Кристаллохимически полевые шпаты построены из алюмо-кислородных и кремне-кислородных тетраэдров, соединенных катионами натрия, калия или кальция в трехмерный каркас.
Одним из наиболее распространенных представителей полевых шпатов является ортоклаз — KAlSi3O8. Зерна ортоклаза обычно окрашены в розовый и красный цвета и имеют угловатую поверхность. Ортоклаз очень прочен; при выветривании он является источником калия.
Реже ортоклаза встречаются альбит (NaAlSi3O8) и анортит (CaAl2Si2O8). Обычно эти минералы сочетаются между собой, образуя серию натриево-кальциевых (плагиоклазы) и калиево-натриевых (микроклин, ортоклаз) полевых шпатов.
Полевые шпаты могут составлять до 10—15% всей почвы. Зерна полевых шпатов сосредоточены главным образом в крупных фракциях. При выветривании полевые шпаты образуют гидрослюды, глинные минералы, гидроокиси алюминия и кремния, силикаты и карбонаты щелочей и щелочных земель.
Слюды. В числе слюд необходимо отметить мусковит — KH2Al3 (SiO4)3 и биотит KH2(MgFe)3Al(SO4)3. Оба минерала обладают трехслойной структурой. Два слоя кремне-кислородных тетраэдров и один слой алюмо-гидроксильного октаэдра соединены иенами калия или натрия, лития, магния, железа, которые часто изоморфно замещают калий.
Слюды являются важнейшим источником калийного питания растений. Слюды выветриваются сравнительно быстро, образуя каолинит, гидрослюды, опаловидный кремнезем. Часто биотит замещается при выветривании хлоритом.
Оливины. Эта группа минералов является как бы солью ортокремниевой кислоты (MgFe)2SiO4, с варьирующим соотношением Fe и Mg. Оливины крайне быстро выветриваются и поэтому характерны для молодых почв, образующихся на основных и ультра-основных породах.
Амфиболы-пироксены. Это группа весьма мелкокристаллических минералов, которые можно рассматривать как кальциевые, магниевые, натриевые, алюминиевые соли метакремневой кислоты. Кристаллохимически эти минералы являются сочетаниями лентовидных цепочек кремне-кислородных тетраэдров, соединенных катионами. В эту группу входят такие минералы, как тремолит, роговая обманка, диопсид, авгит и др. Обычно они темно-зеленого и черного цветов. Минералы этой группы часто встречаются в сравнительно молодых почвах, развитых на изверженных породах, но легко выветриваются и исчезают в древних почвах. При выветривании они являются источниками карбонатов кальция, магния,натрия и соединений железа и кремния.
Нефелин. Это минерал, характерный для нефелиновых сиенитов, фонолитов и др. Его условная формула Na(AlSiO4); нередко в его составе обнаруживается также калий и кальций. Нефелин весьма легко и быстро выветривается, распадаясь на соединения тина простых метасиликатов и алюминатов натрия, с последующим образованием карбонатов щелочей, окислов кремния и алюминия. Из продуктов выветривания нефелина в условиях аккумулятивного ландшафта образуется монтмориллонит.
Вулканическое стекло. Этот стекловидный минерал, существующий в кислой и щелочной модификациях, присутствует в изверженных магмах, туфах, пеплах и продуктах их разрушения и переотложения. Типичен для молодых вулканических почв. Тонкораспыленное вулканическое стекло может быть занесено при вулканических извержениях в виде пеплов на большие расстояния. Минерал весьма неустойчив; при выветривании образует значительные количества воднорастворимых соединений кремнезема, карбонатов, аллофаноидов.
Кварц. Кварц (SiO2)n — один из наиболее распространенных минералов многих магматических пород, осадочных отложений и почв. В кристаллах кварца встречаются микроскопические включения (газы, кристаллики, жидкость, обломки).
В осадочных породах и почвах кварц присутствует в виде угловатых или округлых разноцветных, молочно-белых, желто-бурых зерен. Часто зерна кварца окрашены красными и желтыми пленками окиси железа и марганца. Кварц — постоянный компонент песчаников, лёссов и крупных фракций почвенной массы; содержится в почвообразующих породах и почвах в количестве 40—50—60%. В пылевато-песчаных (1—0,01 мм) фракциях почв его содержание достигает 70—90%. Кварц весьма прочный, инертный минерал, являющийся по существу почвенным балластом. Лишь при высокой степени раздробления кварц крайне слабо растворяется в природных растворах. Кроме остаточного первичного кварца в почвах и осадочных породах присутствует вторичный кварц (см. ниже).
Абсолютное преобладание кварцевых минералов в почвенных породах и почвах обусловливает крайне низкое плодородие. В автоморфных почвах и остаточных элювиальных типах коры выветривания кварц, будучи весьма устойчивым минералом, относительно накапливается. Поэтому по содержанию кварца в почвах, коре выветривания и исходных горных породах можно судить о возрасте почв и интенсивности выветривания.
В виде особых модификаций кварц часто появляется в осадочных породах и почвах как вторичный минерал, свидетельствующий о притоке, накоплении и кристаллизации кремнезема.
Апатит. Очень прочный минерал изверженных пород, в состав которого входят фосфор, кальций, фтор, хлор, — SCa3P2O8*Ca(F, Сl)2. При выветривании апатит медленно освобождает соединения фосфора, являющиеся важным элементом минерального питания растений.
Особо устойчивые первичные минералы. Коротко упомянем некоторые из первичных минералов, которые мало распространены, присутствуют в крайне небольших количествах, но, отличаясь высокой стойкостью, долго сохраняются в почвах, давая возможность судить о происхождении осадочных пород и о длительности почвообразования. Это силикатные минералы группы эпидота, дистена (включая силлимани, и андалузит), граната, а также ставролит, циркон, турмалин.

Важнейшие первичные минералы почв

На рис. 54 показаны главные особенности минералогического состава важнейших групп изверженных пород. Хотя в изверженных породах установлено присутствие более 1000 различных минералов, доминирующими минералами, имеющими важное значение в почвообразовании, являются лишь кварц, полевые шпаты, оливины, пироксены, амфиболы, нефелин, слюды и роговые обманки.
Выветривание первичных минералов, как правило, сопровождается образованием растворов, гидрозолей и гидрогелей кремнезема и различных силикатов, гидрогелей и окристаллизованных окислов железа, алюминия, марганца, вторичных глинных алюмосиликатов, карбонатов щелочей и щелочных земель и других легкорастворимых солей.