Поиск

Миграция и аккумуляция соединений кремния
29.10.2015

Кремнезем постоянно поступает в почвенные растворы и грунтовые воды в результате гидролиза раздробленных алюмосиликатов и растворения кварца, халцедона, опала. Нефелин, диопсид, авгит в измельченном состоянии могут отдавать в водный раствор 15—20 мг/л кремния; биотит, микроклин, лабрадорит — до 5—7,5 мг/л. Даже кварц при высокой степени измельченности и нисходящих токах растворяется в количестве 3,5—4,0 мг/л Si.
Полевые шпаты и ряд сложных силикатов, таких как турмалин, циркон, гранат, являются очень стойкими против выветривания минералами с крайне низкой растворимостью. Ho и они отдают в раствор небольшие количества кремнезема. Энергичный вынос кремнезема при выветривании, сопровождаемый значительно отстающим выносом соединений алюминия, железа, титана, установлен даже для условий тундры и тайги. Об этом можно судить по соотношению кремнезема и глинозема в породах и илистых фракциях почв (рис. 41).

Миграция и аккумуляция соединений кремния

Деятельность микроорганизмов и примеси органических веществ значительно усиливают перевод кремния, алюминия, железа в раствор и их транспорт. Вынос окислов происходит в форме комплексных соединений с органическими кислотами. В водных экстрактах из свежего измельченного минерального материала, по данным Е.И. Соколовой и Т.С. Нужденовской, концентрация Al2O3 может достигать 25—500 мг/л, TiO2 — 1,6—67 мг/л, SiO2 — 30—160 мг/л.
Очень интенсивны десиликация пород и образование растворов кремнезема, карбонатов щелочей и щелочных земель при выветривании свежих вулканических пеплов, шлаков и лав. Эти процессы весьма выражены в почвах Армении, Камчатки, Японии, Филиппин, Индонезии и Чили. В условиях Камчатки ежегодный химический (в растворах и водах рек) вынос Si составляет 3—13 т/км2, Ca и Mg 9—15 т/км2, Na и К 3—4 т/км2, a HCO3 до 37 т/км2. Общепризнано, что наиболее глубокая и полная десиликация почв и коры выветривания характерна для влажных тропиков.
Так как различные минералы кремния абсолютно преобладают над другими минералами, то присутствие кремнезема в водах, циркулирующих в горных породах, грунтах и почвах, является универсальным педогеохимическим явлением, одинаково характерным для всех природных зон и особенно для районов изверженных маловыветрелых пород. В водах аридных или семиаридных областей кремнезем занимает среди других растворенных соединений подчиненное положение. Однако в разбавленных водах гумидных областей различных термических поясов вследствие отсутствия или низкой концентрации хлоридов, сульфатов и карбонатов в составе растворенных соединений почти всегда преобладает кремнезем (иногда органические вещества на первом месте, а кремнезем — на втором).
В разбавленных природных водах, имеющих минерализацию 20—50—100 мг/л, в качестве главного компонента содержится кремнезем, который составляет 25—60% от суммы растворенных веществ. Это дало основание автору еще в 1946 г. ввести в классификацию природных вод группу силикатных или силикатно-карбонатных вод. Позже это положение было принято в гидрогеологии и геохимии ландшафтов и получило общее признание.
Итак, в числе продуктов почвообразования и выветривания, как в осадках, так и в водных растворах, всегда имеется некоторое количество соединений кремния, обладающих достаточно заметной растворимостью и миграционной способностью. Предполагается, что это ионные и молекулярные растворы соединений ортокремниевой (H4SiO4) и метакрем-ниевой (H2SiO3) кислот, кремнеорганические соединения, коллоидные растворы гидроокиси кремния и тонкие суспензии аморфных гелей типа «SiO2*mH2O. Исследования в природе и лабораторные эксперименты показывают, что комплекс этих соединений кремнезема постоянно присутствует в почвенных растворах, в речных, грунтовых и озерных водах в концентрациях порядка 10—50 мг/л SiO2.
Растворимость кремнезема резко возрастает с увеличением pH среды и особенно в щелочном интервале. В щелочных растворах при pH = 10—11 в присутствии соды концентрация SiO2 может достигать 100— 200 мг/л. Повышение температуры также весьма сильно увеличивает растворимость аморфного кремнезема (рис. 42). Это объясняет, почему термальные воды при выходе па поверхность богаты растворенным кремнеземом (до 500—700 мг/л SiO2). Повышается растворимость гелей кремнезема также под влиянием NaCl, Na2SO4 и особенно NaHCO3 и Na2CO3. Есть указания, что в поровых растворах, содержащих соду, концентрация кремнезема может повышаться до 452 мг/л. Однако сульфаты, бикарбонаты и карбонаты магния и кальция резко снижают растворимость кремнезема и вызывают осаждение силикатов щелочных земель или образование осадка аморфного кремнезема.
Миграция и аккумуляция соединений кремния

В растворах угольной кислоты, хлористых и сернокислых солей происходит интенсивный гидролиз измельченного базальта, гранита, нефелина с переводом в растворы значительных количеств SiO2 (до 20—100 мг/л). Испарение, транспирация или замерзание растворов, содержащих кремнезем, вызывает выпадение его в осадок в форме присыпки, корочек или гелей. Современное образование гелей кремнезема описывалось многими исследователями. Так, Гильгард сообщал, что в долине Миссисипи им наблюдался слой кремнеземистого-геля мощностью 4—5 м. Были указания на нахождение гелей кремнезема при работах в Симплонском тоннеле, на Кап-Годе, в барах Австралии.
В солонцовых почвах идет мобилизация подвижного кремнезема щелочными растворами в горизонтах A1 и A2 и их перемещение в горизонты В и С с явлениями сильно выраженной цементации подпочвенных горизонтов.
Кремнезем, поступивший в раствор при выветривании, осаждается также биологическим путем. Диатомовые водоросли, радиолярии, растения, особенно злаки (бамбук) усваивают подвижный кремнезем, полимеризуют его в опал и тем самым переводят в осадок. Однако есть очень много свидетельств о том, что деполимеризация опалов до коллоидных и истинных растворов — явление, столь же широко распространенное в природе.
Постоянное присутствие заметных количеств кремнезема в грунтовых и почвенных водах и участие кремнезема в процессах гидрогенной аккумуляции в почвах с образованием опалов, кварца, натеков, гидрогенных глин и хардпена было рассмотрено автором в 1940, 1946—1953, 1967 гг. для почв аридных областей, а затем и для почв гумидных областей. К.И. Лукашевым и его учениками описаны явления гидрогенной аккумуляции кремнезема в белорусских лёссах, в сапропелях и водно-ледниковых отложениях. Достоверные данные показывают, что в озерах и болотах севера также идет довольно интенсивная современная аккумуляция тонкодисперсного опаловидного кремнезема в виде диатомита, трепела и прослоек опала (Гренландия, Карелия, Кольский полуостров, Таймыр, Исландия, Ленинградская область, Чукотка, Полесье и т. д.). В озерах и лужах здесь наблюдаются повышенные (15—30 мг/л) концентрации кремнезема, который является постоянным продуктом выветривания изверженных и метаморфических пород. Здесь же обнаруживаются в донных отложениях, в толщах послеледниковых наносов и почв довольно мощные (1—3—15 м) отложения диатомитов и трепела.
Обильная кремнеземистая присыпка в подзолистых и серых лесных почвах ополий (на глубине 0,5—2 м) образует своеобразный почвенногеохимический кремнеземистый пояс на пространствах между степями и лесами Русской равнины, Сибири, Забайкалья, Приамурья, Маньчжурии. Этот пояс возник путем осаждения из ледниковых и послеледниковых вод, шедших со стороны моренных отложений, богатых измельченными обломками изверженных и метаморфических пород и выносивших большие количества кремнезема гидролитического выветривания. При отсутствии соединений алюминия в условиях периодического промерзания почв кремнезем выпадает из поверхностных вод в виде присыпок, песчинок и опаловидного материала.
Этот процесс окремнения (окремнеземывания) лесостепных и лесных почв наблюдался нами и сотрудниками в Приамурье (табл. 34). Были обнаружены опаловидные натеки на гальках луговых и древнелуговых почв Приамурья, присутствие кремнезема было установлено в почвенных растворах. Замерзание почвенных растворов, как показал Ю. Славный, ведет к осаждению растворенного кремнезема.
Миграция и аккумуляция соединений кремния

По-видимому, превращение аморфного кремнезема в кварц происходит сравнительно быстро. Присутствие вторичного кварца было установлено Е. И. Парфеновой в подзолистых почвах Московской области. Выпадение кремнезема в осадок и его быстрый переход во вторичный кварц в аридных условиях при испарении растворов описаны автором для Египта. Накопление кремнезема в коре выветривания и почвах пустынь специально было отмечено Гильгардом, который на большом числе валовых анализов показал, что почвы аридных районов значительно богаче кремнеземом, чем почвы влажных областей. Действительно, d почвах аридных областей, особенно расположенных в районах изверженных пород, часто наблюдаются прослои, натеки, конкреции кремнезема и опала. Немецкие исследователи различают в «кактусовых почвах» даже так называемый кремнекислый ортштейн.
Валовой состав «кактусовых почв» и их материнских пород представлен в табл. 35.
Миграция и аккумуляция соединений кремния

При щелочных почвенно-грунтовых водах создаются особенно благоприятные условия для вторичного накопления в почвенном профиле свободного опаловидного кремнезема, для кремневых цементов и монтмориллонитизации почвы. Аморфный кремнезем при этом часто аккумулируется в поверхностных горизонтах солончаков.
В Венгрии подъем щелочных грунтовых вод при орошении вызвал не только вторичное содовое засоление, но и монтмориллонитизацию почв и накопление аморфного кремнезема в значительных количествах (табл. 36). При этом развились бесструктурность, вязкость, гелеобразность и коркуемость почв.
Сходные явления наблюдаются в саваннах и пустынях Аравии, Северной Африки, Латинской Америки. Здесь можно встретить в почвах кремнеземистые цементированные горизонты и прослои (включающие окремневшие древесные и костные остатки). Нередко в пустынях опало-видный кремнезем и вторичный кварц сочетаются с осадками извести, гипса, полуторных окислов. Как отмечал неоднократно Эрхарт, кремнезем в виде опала часто присутствует в гидроморфных известковых конкрециях, которые образовались под влиянием испарения и транспирации грунтовых вод в древних и новейших осадках и почвах Мадагаскара, террас и дельты р. Нигер, низменности оз. Чад, лёссовых террасах Рейна.
Скопления опаловидного кремнезема и халцедон-кварца были обнаружены также Б.Б. Полыновым в ортштейногенных горизонтах песчаных почв древних террас р. Дон.
Уникальный пример крайне сильной абсолютной континентальной аккумуляции кремнезема автор видел в 1968 г. в пустынных саваннах центральной части Австралии. Древние аллитные почвы — красноземы — занимают в Австралии современный обширный водораздел восточной и северной территории Квинсленд. Воды, содержащие кремнезем, уходили на юго-запад от этих пространств во внутриматериковую депрессию. Образовался многометровый покров цементированных отложений опаловидных кремней — силкрит (кремневый аналог латерита). Повторная эрозия разрушила покров силкрита как целое, но он сохранился на многочисленных обширных останцах в виде бронированного покрова. Однако это сравнительно редкий пример.
По-видимому, большая часть кремнезема, поступившего при выветривании в почвенные, грунтовые и наземные воды, расходуется на реакции ресиликации гидроокислов алюминия и железа в каолинит и галлуазит, а последних — в иллит и монтмориллонит. Эти процессы гидрогенного глинообразования происходят непрерывно в почвах и породах транзитных и особенно аккумулятивных ландшафтов.
Наконец, пожалуй, наибольшая доля кремнезема, поступившего в природные воды, уходит в озера, моря и океан, участвуя в морском цикле седиментации. Об этом можно судить по рис. 43, иллюстрирующему интенсивное накопление соединений вторичного кремнезема в донных суглинистых и глинистых осадках озер и морей.
Миграция и аккумуляция соединений кремния