Поиск

Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и алюминия
29.10.2015

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.