Показать меню

Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и алюминия

29.10.2015
221
Педогеохимическая судьба соединений железа, марганца, алюминия зависит в огромной степени от условий увлажнения, реакции среды, аэрированности почвы, условий разложения органического вещества.
Еще Шпренгель, который работал над проблемой почвенного гумуса, много занимался изучением дерновых железных руд, связывая их образование с испарением и аэрацией вод, содержащих гумус, угольную кислоту и железо. Другие исследователи объясняли аккумуляцию железа процессами окисления и воздействием дубильных веществ. С.Н. Виноградский доказал, что осаждение окислов железа является бактериальным процессом. Аарнио, по-видимому, был одним из первых исследователей, экспериментально изучившим роль кислого гумуса в образовании болотных железных руд и скоплении полуторных окислов.
Общеизвестно, что соединения железа, марганца, алюминия мигрируют в вертикально-нисходящем направлении в подзолистых и желтоземных почвах, в солонцах и солодях с образованием светлых, белесых, пепельно-серых элювиальных горизонтов A2 и бурых, коричневых, темных иллювиальных горизонтов, обогащенных полуторными окислами. К.К. Гедройц, К.Д. Глинка, Г. Вигнер, А.А. Роде объясняли эту форму нисходящей миграции полуторных окислов промывным водным режимом и образованием высокодисперсных золей, стабилизированных кислым гумусом. После исследований С.П. Яркова эта форма выноса полуторных окислов из осветленных горизонтов с полным основанием связывается с временным или постоянным созданием анаэробной обстановки и с образованием соединений двухвалентного железа и марганца.
В результате исследований И.В. Тюрина, В.В. Пономаревой, Л.Н. Александровой, И.С. Кауричева выяснилось, что решающая роль в миграции соединений тяжелых металлов принадлежит агрессивному действию фульвокислот, с которыми железо, марганец, алюминий образуют подвижные, активно мигрирующие комплексные соединения. Фульвокислоты способны связывать несколько сот миллиграмм железа на 1 г углерода в виде хелатных соединений, мигрирующих на значительные расстояния.
Исследования И.С. Кауричева и Е.М. Ноздруновой показали, что сезонное или постоянное заболачивание в почвах средней тайги сопровождается образованием комплексных железоорганических соединений (с дубильными веществами и низкомолекулярными карбоновыми кислотами), которые могут свободно передвигаться в нисходящем, боковом и горизонтальном направлениях. За 1 год на площади 1 м2 в профиле подзолистых и гелеево-подзолистых почв, по данным этих авторов, может быть мобилизовано, перемещено и задержано от 150 до 2500 мг железа. В пересчетах на 1 га это дает величины от 1,5 до 25 т Fe.
Постепенно в почвоведении накопилось много факторов, свидетельствующих о том, что педогеохимия полуторных окислов значительно сложнее, чем представление об их относительном накоплении в остаточной коре выветривания и ограниченной нисходящей миграции с образованием иллювиальных горизонтов. Прямые и косвенные данные явно указывают на явления активной горизонтальной миграции и аккумуляции полуторных окислов: количество полуторных окислов в иллювиальных горизонтах не соответствует тому, что могло быть вынесено из осветленных элювиальных горизонтов этих же почв; наблюдаются многочисленные примеры образования регионального ортштейна в почвах низменностей, примеры интенсивного накопления конкреций и пластов полуторных окислов в болотах, луговых и глеевых почвах, в мелководных озерах и лагунах, образование трубковидных стяжений вокруг корней, нахождение грунтоводных латеритов, железистых кирас по склонам и в депрессиях, движение темноокрашенных органо-железистых вод. Все эти наблюдения в природе и эксперименты в лабораториях убеждают в том, что соединения железа и марганца в различных формах и концентрациях могут активно мигрировать на огромных пространствах. Соединения железа, оказавшиеся в растворе в кислой или нейтральной восстановленной среде, богатой органическими соединениями, поступая в грунтовые воды и с ними в общую геохимическую циркуляцию, движутся по уклону местности в аккумулятивные ландшафты, где они могут накапливаться в почвах и грунтах в разнообразных формах. Осаждение железа происходит в виде бурого гелеподобного осадка карбонатов железа, в виде сплошных масс окислов разной гидратированности, в виде фосфатов и гуматов.
Финские почвоведы много сделали в изучении явлений миграции и аккумуляции соединений железа в водоемах и болотных почвах севера. Первые признаки выпадения гидроокислов железа из растворов — это появление «маслянистых» или «нефтяных» пленок и пятен на поверхности воды. В восьми случаях из десяти воды, имеющие маслянистые пленки, отличаются узким интервалом pH (6,30—6,49). Эти пленки содержат двух- и трехвалентное железо, кальций и много органического вещества.
Финские исследователи подчеркивают, что осаждение окислов железа сопровождается сорбцией растворенного гумуса в количествах 0,2—3,0 г на 1 г Fe2O3. Осаждение двухвалентного железа в виде карбонатов происходит при высоком уровне pH — 6,7—7,0. Поэтому сидерит в почвах накапливается при pH = 7 — 8,5. В остальных случаях чаще происходят коллоидно-химические реакции между отрицательно заряженными золями гумуса и положительно заряженными золями гидроокислов железа (и марганца) с образованием изоэлектрических осадков. Почти все железисто-марганцовые новообразования в почвах — ортштейны, железистые хардпены и болотные руды — всегда содержат несколько процентов гумуса.
Как установлено финскими почвоведами, наиболее интенсивно и часто аккумуляция соединений железа в верхних горизонтах подводных болотных почв происходит при pH = 6,3—7,4. При кислой реакции (pH ниже 5,5) накопление железа в почвенных приповерхностных горизонтах не наблюдалось. При высушивании болотных почв наблюдалось повышение их кислотности (рис. 44). Осаждение окислов железа является также и функцией окислительно-восстановительного потенциала среды. Так, болота, имевшие «маслянистые» пятна, имели Eh обычно на 50—100 мв меньше, чем болота, на которых наблюдается выпадение соединений железа в осадок. В поймах и на притеррасовых понижениях участки, имеющие железистый ортштейн, всегда отличаются более высокими показателями Eh и большим содержанием кислорода в грунтовой воде.
Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и алюминия

В ландшафтах транзитного или аккумулятивного типа в зоне влажных лесов севера, как показал Ф.Р. Зайдельман, соединения железа и алюминия интенсивно накапливаются в почвах тем в большем количестве, чем сильнее они оглеены, т. е. чем хуже общие условия дренированности. При этом, конечно, аккумулируются и соединения кремнезема. Естественно, что подзолистый процесс при этом подавлен, выражен слабо или замещается гидрогенно-аккумулятивным дерновым процессом с выносом лишь наиболее подвижных соединений (карбонатов, сульфатов, хлоридов).
Явления аккумуляции полуторных окислов в почвах можно было бы доказать аналитически, если бы конкреции и микроконкреции диаметром более 0,25 мм не отсеивались из почвы, а учитывались и анализировались отдельно. Как показали исследования, выполненные нами с сотрудниками в Приамурье, аккумуляция соединений железа и марганца с образованием приповерхностного максимума четко прослеживается в гидроморфных и палеогидроморфных почвах (рис. 45).
Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и алюминия

Железо и марганец обычно присутствуют в уплотненных гумусовых хардпенах, например в подзолах влажных тропиков Саравака.
Аналогами таких железисто-гумусовых горизонтов в северном полушарии являются ортзандовые прослои в песках и особенно гумусово-железистые элювиальные горизонты в подзолистых почвах легкого механического состава.
Эти горизонты гидрогенного накопления полуторных окислов и гумуса характеризуются следующими показателями:
Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и алюминия

Лаг пишет, что в Норвегии цементированные горизонты наблюдаются в профиле кислых гравийных почв; цемент состоит из осадка окислов марганца в количестве до 1,5—4,7% Mn. Вообще же железисто-марганцевые аккумуляции такого типа широко известны в Скандинавии, северо-западной Европе, таежных районах России.
З.Я. Хруцкая исследовала процесс накопления гидроокислов железа в дренажных трубах, заложенных для осушения северных болотных почв. Оказалось, что заиление дренажных труб является педобиогео-химическим процессом, в котором важнейшая роль принадлежит железобактериям Leptothrix trichogenos и L. ochracea. Для того чтобы создать 1 г органического вещества, железобактерии переводят до 279 г записного железа в 534 г гидроокиси железа.
Осаждение окислов железа, марганца, кремнезема, вторичных глинных минералов часто наблюдается и при вертикальном дренаже, что вызывает закупорку дрен и значительное уменьшение дебита насосных колодцев.
Содержание алюминия в речных и озерных водах обычно составляет 0,02—0,03 мг/л. Лишь в щелочных водах (при рН = 9—11) концентрация алюминия может достигать 0,5—0,7 мг/л, а в некоторых подземных водах— и нескольких миллиграммов в 1 л. Содержание Al2O3 в грунтовых водах и водных вытяжках из почв, по данным А.А. Роде, колеблется в пределах 1—9 мг/л. Известны факты более высоких концентраций алюминия в водах подзолистых почв: 3—5 мг/л, а после их известкования даже 25—120 мг/л.
В сильнокислой среде алюминий ведет себя как катион и, если присутствует серная кислота (при переменном Eh и окислении сульфидов), образуются алюминиевые квасцы, которые мигрируют в почвах и водах аккумулятивных ландшафтов, участвуя в формировании кислых приморских солончаков или болотных пестроцветных глин и почв.
В нейтральной среде, как полагают некоторые исследователи, в растворе образуется гидратированный комплексный анион, формирующий октаэдры с шестью молекулами воды и алюминием в центре.
В щелочной среде образуются достаточно растворимые алюминаты, в которых алюминий ведет себя как комплексный анион. Окислы алюминия в составе ультрапресных. и пресных вод составляют 1—3% от суммы растворенных веществ, т. е. значительно меньше, чем окислы кремнезема и железа. Алюминий способен давать относительно растворимые комплексные соединения с простыми оксикислотами (муравьиная, уксусная, щавелевая, янтарная, винная и др.), а также с гумусовыми кислотами и особенно с фульвокислотами. С такими соединениями алюминий может относительно легко выноситься из почв элювиальных ландшафтов и накапливаться в почвах и осадках аккумулятивных ландшафтов. В экспериментальных условиях вынос алюминия иногда может быть более интенсивным, чем вынос кремнезема.
Бланк и соавторы еще в 1926 г. показали, что вторичные соединения алюминия (переходящие в кислотные вытяжки) накапливаются в почвах о-ва Шпицберген. Кроме того, на скалах острова в солевых выцветах ими были обнаружены алюминиевые квасцы. Отношение SiO2: Al2O3 в продуктах выветривания достигало 1:2 и 1:2,25, что обычно считается типичным для аллитных и латеритных продуктов. Накопление сернокислого алюминия в почвах и аккумулятивных корах выветривания Прибалтики отмечали Аарнио, Кивинен, Саболч. По исследованиям Е.Н. Ивановой, О.А. Полынцевой, Ю.А. Ливеровского, в почвах Кольского полуострова нередко обнаруживается значительное количество алюминия (отношение SiO2:Al2O3 составляет, по данным щелочных вытяжек, 1:19).
Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и алюминия
Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и алюминия

Весьма заметная аккумуляция соединений алюминия наблюдалась М.А. Глазовской в субарктических луговых почвах крайней северо-западной части Скандинавии. При валовом содержании Аl2O3 в оливиновых диабазах 18,56% в продуктах выветривания и почвах его количество возрастало до 33%. На основании этого М.А. Глазовская выделила особую фульватно-железиcто-алюминиевую почвенно-геохимическую провинцию, охватывающую субарктический север (Исландию, Скандинавию, Кольский полуостров и Карелию).
Примеры активной миграции и аккумуляции соединений алюминия обнаружены не только в субарктике, но и в почвах тайги. Так, еще в 1936 г. А.А. Роде показал, что глеево-подзолистые почвы Северо-Запада России явно обогащены алюминием. Ф.И. Левин, изучая налеты и корочки на поверхности комочков освоенных подзолистых почв Московской области, тоже обнаружил в них скопление окислов алюминия. То же наблюдала и Т.И. Евдокимова в беловатых налетах почв Карелии.
При осаждении алюминия в виде гидроокисей образуются трубки, потеки, скопления и конкреции гидраргиллита, гиббсита и бемита. В аллитных корах выветривания наблюдается поразительное геохимическое явление — замещение зерен исчезающего кварца гиббситом. Такие формы скопления окислов алюминия встречаются в бокситах Гавайских островов.
Видимо, главным условием свободной миграции алюминия является отсутствие или низкие концентрации кремнезема и фосфат-аниона. В случае притока кремнезема окислы алюминия подвергаются каолинитизации, а затем иллитизации и монтмориллонитизации. Поэтому толщи элювиальных бокситов могут образоваться только в условиях устойчиво влажных тропиков в результате очень полной и глубокой десиликации горных пород ландшафта. При этом обособляются остаточные аллитные коры выветривания и создаются условия для растворения и химического переосаждения чистого глинозема.
Комплексные соединения алюминия с органическими кислотами, бикарбонаты алюминия, золи и высокодисперсные суспензии гидроокислов алюминия приносятся с почвенными и поверхностными водами на периферии склонов, в поймы и дельты рек, в эстуарии и лагуны морей, образуя залежи гидрогенного боксита или же маскируясь процессами ожелезнения и ресиликатизации. Пример образования таких залежей в виде дельтовых аккумуляций алюминия приведен на рис. 46.
Необходимо иметь в виду, что гидроокислы и окислы железа, алюминия, марганца легко захватывают и связывают кремний, никель, кобальт, медь, хром, ванадий, мышьяк.
Еще по этой теме:
Аккумуляция глинных минералов
20:59, 29 октябрь
Аккумуляция глинных минералов
Наряду с раздельной и совместной аккумуляцией соединений кремнезема и полуторных окислов широко распространены процессы аккумуляции и дифференциации продуктов их взаимодействия, т. е. вторичных
Трансформация органического вещества при оглеении (часть 2)
13:16, 13 март
Трансформация органического вещества при оглеении (часть 2)
Агрессивное выщелачивающее действие фульвокислот на минеральный субстрат было показано А. С. Фатьяновым. Автор изучал (табл. 3) изменение во времени рН растворов, десорбцию Са и Мg, растворение
Трансформация органического вещества при оглеении (часть 3)
13:16, 13 март
Трансформация органического вещества при оглеении (часть 3)
Несколько иным оказывается поведение алюминия. И. С. Кауричевым, Е. М. Ноздруновой и Р. П. Евсеевой показано, что в условиях глубокого анаэробиоза весь алюминий находится в растворе в составе
Химический состав конкреций (часть 1)
13:13, 13 март
Химический состав конкреций (часть 1)
Следует прежде всего отметить, что ортштейны исследованных почв существенно различаются по валовому химическому составу (табл. 17). Например, в нашем случае содержание гумуса колеблется от 1,43 до
Химический состав конкреций (часть 2)
13:13, 13 март
Химический состав конкреций (часть 2)
Концентрация кислоторастворимого железа в ортштейнах при заболачивании увеличивается, а марганца уменьшается. В направлении прогрессирующего заболачивання увеличивается растворимость
Ортштейнообразование (часть 3)
05:06, 20 октябрь
Ортштейнообразование (часть 3)
Количественные соотношения между упомянутыми элементами в ортштейнах зависят от видового состава участвующей в формировании конкреций микрофлоры и господствующего в данных условиях физиологического
Комментарии:
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent