Гипергенез и почвообразование

Процесс разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли обычно называют выветриванием, хотя ветер к этому почти никакого отношения не имеет. А. Е. Ферсман в 1922 г. предложил другое название этого процесса – гипергенез. Оно построено из древнегреческих слов «гипер» (сверх) и «генезис» (происхождение).

В настоящее время под выветриванием, или гипергенезом, понимают сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на поверхности суши под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и жизнедеятельности организмов. Сущность этих процессов заключается в перегруппировке атомов и образовании но­вых, устойчивых к условиям земной поверхности соединений.

Различают два типа выветривания: физическое, или механическое, и химическое.

Физическое выветриваниеприводит к чисто механическому разрушению пород. Частые изменения температуры, морозное выветривание с образованием морозоустойчивых трещин и солевое растрескивание пород (возникновение трещин под давлением кристаллов образующихся солей) обусловливают разрыхление структуры и распад пород на минеральные зерна.

Химическое выветривание – разрыхление коренных пород под действием кислорода воздуха, диоксида углерода, воды, органических кислот, сопровождающееся изменением их состава.

Часто выделяют еще третий тип выветривания – биологическое(или органогенное). Но этот процесс связан либо с физическим действием (например, давлением корней растений), либо с химическим воздействием (например, воздействием органических кислот, выделяемых корнями растений).

В зависимости от климатической зоны, времени года и местных условий процессы выветривания различных типов протекают с различной интенсивностью.

Все магматические минералы, попадая на поверхность Земли, оказываются в неустойчивом состоянии. Наименее устойчивы силикаты, структуру которых образуют изолированные кремнекислородные тетраэдры, соединяющиеся катионами железа и магния. Из них более устойчивы силикаты с одинарными цепочками кремнекислородных тетраэдров (пироксены), затем – с двойными цепочками (роговые обманки), далее – с листовыми структурами (слюды). Железомагниевые слюды (биотиты) менее устойчивы, чем алюминиевые (мусковиты). Устойчивость полевых шпатов, обладающих каркасной структурой, зависит от размера катиона (Ca²⁺, К⁺, Na⁺). Устойчивость плагиоклазов постепенно возрастает при переходе от кальциевого представителя к натриевому. Наиболее устойчив кварц, структура которого полностью состоит из кремнекислородных тетраэдров. В целом устойчивость главных породообразующих минералов магматических пород возрастает симбатно с последовательностью их кристаллизации. В процессе гипергенеза наблюдается значительное изменение в структурах силикатных пород, происходит образование глинистых минералов. Так, например в процессе разрушения полевого шпата (ортоклаза) может образоваться глинистый минерал каолинит:

4K[AlSi₃O₈] + 4Н₂О + 2СО₂ ® 2К₂СО₃ + 8SiO₂ + Al₄(OH)₈(Si₄O₁₀)

Элементарная ячейка каолинита несимметрична: один слой стоит из кремнекислородных тетраэдров, другой – из сочетания ионов ОН^– и А1³⁺. Каждый ион А1³⁺ связан с 4 ионами ОН^– и двумя атомами кислорода. Координационное число алюминия в этом соединении равно 6. Как видно из рисунка 2, а, одна поверхность пакета образована атомами кислорода. Между пакетами образует довольно прочная водородная связь, поэтому каолинит не набухает, и его межплоскостное расстояние стабильно.

В другом распространенном глинистом минерале – монтморилоните – плоские пакеты трехслойны. Верхний слой, так же, как и нижний, представлен слоями кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются ионы ОН^– и А1³⁺ (рисунок 2,б). Формула монтмориллонита (Al₂,Mg₃)(OH)₂[Si₄O₁₀ ^· nH₂О]. В отличие от каолинита, пакет монтмориллонита построен симметрично. Между слоями кислородных атомов не возникает водородной связи. Взаимодействие между пакетами слабое, и в межпакетные промежутки легко проникает вода, вызывая набухание, при этом объем монтмориллонита увеличивается в 1,5-2,5 раза.

а б

Рис.2. Схема строения решетки каолинита (а) и монтмориллонита (б)

Необходимо отметить, что в монтмориллоните, так же, как и в каолините, координационное число алюминия равно 6. В то же время в наиболее распространенных глубинных минералах и горных породах основное количество ионов А1³⁺ окружено лишь четырьмя ионами кислорода. Энергия связи А1–О в окружении че­тырех ионов кислорода приблизительно равна 6700 кДж/моль. При увеличении координационного числа А1³⁺ до шести энергия связи А1–О возрастает до 7500 кДж/моль. Таким образом, глинистые минералы являются своеобразным аккумулятором солнечной энергии – основного энергетического источника процессов гипергенеза.

Процессы выветривания горных пород происходят и происходили на Земле и до появления живых организмов. В то же время дальнейшее преобразование горных пород, связанное с возникновением почв, всегда протекает только при непосредственном участии живых организмов.

Почвообразованиемназывается сложный природный процесс перехода горной породы в качественно новое состояние. Этот процесс протекает при взаимодействии минерального вещества земной коры с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Причем такое взаимодействие в земных условиях происходит при прямом и косвенном влиянии других факторов внешней среды. Растительные сообщества извлекают из горных (материнских) пород (в дальнейшем - «из почв») питательные элементы, синтезируют сложные органические соединения – биомассу – и возвращают эти соединения в почву в виде отмирающей и опавшей на землю растительной массы корней.

Одним из главных факторов, играющих большую роль в преобразовании этих органических остатков, являются дождевые черви, личинки многочисленных насекомых и микроорганизмы. В процессе питания они измельчают растительную массу, перемещают ее, перемешивая органические и минеральные вещества.

Находясь в тесном взаимодействии между собой и с минеральной частью горных пород и почв, живые организмы активно участвуют в малом биологическом круговороте веществ. В результате этого процесса в верхних горизонтах, почвообразующих породах и почвах накапливаются биогенные элементы (азот, углерод, фосфор, сера и др.), происходит образование и дальнейшее развитие почв.

Пример решения задач

Пример 4. Радиус зоны истощения запасов фосфата вокруг корня растения увеличивается примерно пропорционально корню квадратному от времени: г = 0,32 t¹/², где t– время, сут. Исходя из этого уравнения рассчитайте время, необходимое для развития зоны истощения радиусом 2 мм.

Решение. Из формулы, приведенной в условии задачи, следует:

t = (r/0,32)²,

где 0,32 – эмпирический коэффициент, мм/сут¹/²;

t = (2/0,32)² = 39(сут).

Ответ: время, необходимое для развития зоны истощения 2 мм, со­ставляет 39 сут.

Механический состав почв

Одним из главных признаков, определяющих многие свойства почв, является их механический состав. В связи с особой важностью этого свойства почв для производственных и сельскохозяйственных целей полное наименование почвы всегда содержит в себе и название по механическому составу. Достаточно точно механический состав почв можно установить даже в полевых условиях по методу Н. А. Качинского.

Для этого почвенную массу увлажняют до тестообразного состояния и пробуют на ладони скатывать шарики или шнур, который имеет толщину 3 мм в диаметре, а при последующем его сгибании должно получиться колечко диаметром 3 см. В случае, если шарик не скатывается, почва - песчаная. Если скатывается в непрочный шарик, который при сдавливании между пальцами сформируется в чечевицеобразные лепешки, почва супесчаная. Скатываются ко­роткие неравномерно утолщенные колбаски, которые трескаются и ломаются при сгибании, кольцо не получается, – почва среднесуглинистая. Скатывается шнур, сгибающийся в кольцо, на внешней части которого появляются трещинки, – почва тяжелосуглинистая. Легко скатывается шнур, сгибающийся в кольцо без трещин, – почва глинистая.

Твердая фаза почв неоднородна и состоит из агрегатов или структурных частей, которые представляют собой совокупность механических элементов.

Все механические элементы почвы образовались в результате процессов выветривания горных пород и почвообразования. Различают первичные механические элементарные частицы почвы, которые образуются в процессе физического выветривания горных пород и минералов, и вторичные, образующиеся путем синтеза конечных продуктов выветривания, процессов коагуляции и биохимическим путем. Обычно механические элементы почв разделяют по их размерам в соответствии с классификацией, разработанной Н. А. Качинским (таблица 4). Все частицы диаметром более 1 мм часто называются скелетной частью почвы, менее 1 мм – мелкоземом. Деление частиц на физический песок(частицы крупнее 0,01 мм) и физическую глину(частицы менее 0,01 мм), введенное еще в 1899 г., широко используется и в настоящее время. Механический состав почв оказывает значительное влияние на влагоемкость и водопроницаемость почв.

Под влагоемкостью почвыпонимают способность почвы удерживать влагу, поступающую извне. Различают капиллярную, полевую и полную влагоемкость. Капиллярная влагоемкость – это запас влаги, удерживаемой над уровнем грунтовых вод капиллярными силами. Полевая влагоемкость – это количество влаги, которое почва в естественных условиях способна длительно удерживать. Полной влагоемкостью называется количество влаги, удерживаемое почвой, когда все поры ее полностью насыщены водой и отток ее отсутствует.

Таблица 4.Классификация механических элементов почвы (по Н. А. Качинскому)

Под водопроницаемостьюпочв понимают их способность впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. При хорошей водопроницаемости (100-70 мм в первый час наблюдения при напоре воды 5 см и температуре 10°С) влага полностью проникает в почву, накапливаясь в ней. При меньшей водопроницаемости вода стекает по поверхности, вызывая эрозию.

Каменистая часть почвы и гравий представлены преимущественно обломками минералов и горных пород. Эти механические элементы обладают наибольшей водопроницаемостью, но ничтожно малой водоудерживающей способностью. Пески состоят, главным образом, из первичных минералов с преобладанием обломков кварца. Покровные пески характеризуются большой водопроницаемостью. По сравнению со скелетной частью почвы песчаная фракция механических элементов обладает в 2-5 раз большей влагоемкостью. Пыль также состоит из большого количества обломков кварца и других первичных минералов. В связи с этим почвы, в которых преобладает средняя и мелкая пыль, малоструктурны, обладают плохой водопроницаемостью.

Ил состоит из вторичных (глинистых) минералов, количество которых преобладает над первичными минералами. Илистая фракция обладает минимальной водопроницаемостью, но максимальной влагоемкостью.

Примеры решения задач

Пример 5. Карбонатная почва имеет следующий гранулометрический состав: 42% песка, 28% пыли и 20% глины. Содержание СаСО₃ в почве составляет: 5% в песке, 10% в пыли и 20% в глине. Рассчитайте гранулометрический состав почвы (%):

а) в ее начальном состоянии;

б) после удаления карбонатов реакцией с кислотой.

Решение. Определим массу карбоната кальция в каждой гранулометрической части почвы. Согласно условию задачи, в 100 г почвы содержится 42 г песка, 38 г пыли и 20 г глины. Соответственно, карбоната кальция содержится: в песке 42 ^· 0,05 = 2,1 г, в пыли 38 ^· 0,10 = 3,8 г, в глине 20 ^· 0,20 = 4 г. Таким образом, масса чистых компонентов после обработки кислотой (т_i) составит: 42 – 2,1 = 39,9 г песка; 38 – 3,8 = 34,2 г пыли; 20 – 4 = 16 г глины. Процентное содержание компонентов в исходной почве (Wi) определяется соотношением:

W_i = ,

где m_i – масса соответствующих компонентов почвы.

Отсюда процентное содержание компонентов в исходной почве после округления составит:

W_пeскa = 40%, W_пыли = 34% и W_глины = 16%.

Процентное содержание компонентов в почве после удаления из нее карбонатов (W ) определяем с учетом изменения массы навески почвы:

2,1 + 3,8 + 4 = 9,9 (г);

и

Ответ:а) 40%, 34% и 16%; б) 44%, 38% и 18%.

Пример 6. Объем заполненных при стандартных условиях воздухом пор в почве равен 0,32 см³/см³ почвы. Содержание О₂ в почвенном воздухе составляет 18% (об.). Рассчитайте объем О₂ в м³/м³ почвы. Найдите массу О₂ в г/м³ почвы, если температура почвы 17° С.

Решение.Для расчета содержания кислорода в почве необходимо принять, что объем воздуха в почве равен объему пор. Отсюда объем О₂ в почве (Vo₂) определяется следующим соотношением:

К= 0,32 0,18 = 0,058 (м³/м³),

где К– коэффициент, учитывающий переход от одной размерности к другой (1 см³ = 10^–6м³), который в данной задаче равен единице.

Для ответа на второй вопрос следует иметь в виду, что объем пор в почве и давление воздуха остаются постоянными.

Используя уравнение Менделеева – Клапейрона

PV =

и постоянство давления и объема, можно показать, что

,

где Т₁,Т₂ – абсолютные температуры;

, – массы кислорода при температурах Т₁ и Т₂.

Массу кислорода при стандартной температуре Т₁= 273 К определим из следующего соотношения: 22,4м³ О₂ при стандартных условиях содержат 32 кг О₂ 0,058 м³/м³ содержат m (О₂) кг/м³ О₂.

Отсюда

= (кг О₂/м³) = 78(г О₂/м³)

Ответ: объем кислорода, содержащегося в 1м³ почвы, составляет 0,058 м³, масса – 78 г.

Элементный состав почв

Почва – естественно-историческое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха, имеющее специфические генетико-морфологические признаки и свойства, обусловливающие рост и развитие растений.

Таким образом, почва представляет собой многофазную полидисперсную систему. Она состоит из твердых частиц (твердая фаза почвы), воды (почвенного раствора) и почвенного воздуха. На долю твердой фазы приходится 40-65% объема почвенной массы. Объем почвенного раствора может изменяться в широком диапазоне. До 35% объема почвы обычно занимает почвенный воздух.

Для типичных почв характерно следующее соотношение объемов твердой, жидкой и газообразной фаз:

Т:Ж:Г = 2:1:1.

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, существующая в природных условиях. Состав почвенных растворов меняется в очень широких пределах. В незаселенных почвах концентрация почвенного раствора находится в пределах от десятых долей до нескольких г/л, или примерно от 5-7 до 100-150 ммоль/л катионов и анионов. Наиболее типичными компонентами почвенных растворов, концентрации которых значительно превосходят концентрации других ионов, являются катионы Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, NH , Na⁺ и анионы HCO , SO , NO и С1^–. При изменении влажности почвы концентрация отдельных ионов изменяется по различным законам. Так, концен­трация ионов Na⁺, Cl^–, NO возрастает пропорционально влажности почвы, а концентрация фосфат-иона, обусловленная произведением растворимости фосфатов, почти не изменяется.

Почвенный воздух отличается от атмосферного более высоким содержанием СО₂ (обычно от 0,1 до 2-3%), а в торфяных почвах на глубине 20-30см концентрация СО₂ достигает 10-12%(об.). Содержание кислорода в воздухе верхнего слоя почвы (толщиной 20см) на 0,5-1,5% ниже его концентрации в атмосферном воздухе. В поч­венном воздухе могут содержаться сероводород, метан, гемиоксид и органические соединения (углеводороды, спирты, эфиры, альдегиды).

Твердая фаза типичной плодородной почвы на 95% состоит из неорганических и на 5% – из органических соединений. Некоторые виды почв, например торфяные почвы, содержат иногда более 95% органических соединений, тогда как в так называемых «бедных» почвах количество органических веществ может быть менее 1%.

Почвы, которые В. И. Вернадский называл биокосным телом, по качественному и количественному содержанию элементов существенно отличаются от живых организмов и горных пород (таблица 5).

Одной из особенностей почв является присутствие в них большого набора элементов. Как видно из таблицы 5, все виды почв отличает высокое содержание углерода и кремния, что, безусловно, связано с процессом почвообразования. Обращает на себя внимание и большой диапазон концентраций элементов, присутствующих в почве.

Разница в содержании отдельных элементов в почве достигает 9-10 порядков.

По абсолютному содержанию в почвах все элементы могут быть объединены в несколько групп. В первую группу следует отнести кислород и кремний, содержание которых составляет десятки процентов. Вторая группавключает элементы, содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов: это А1, Fe, Ca, Mg, К, Na, С. Первые две группы – типичные макроэлементы. В третью группу входят: Ti, Mn, N, P, S, Н, концентрации которых измеряются десятыми и сотыми долями процента. Они со­ставляют переходную группу. Микро- и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количестве 10^–3 - 10^–10 %; к ним можно отнести все остальные элементы, встречающиеся в почвах, например Ва, Sr, В, Rb, Си, V, Сr, Со, Li, Mo, Cs, Se.

Почвы различного механического состава значительно отличаются друг от друга, особенно по содержанию таких элементов, как Si, Al, Fe, щелочные и щелочноземельные металлы. В легких почвах повышена концентрация Si и снижена доля всех прочих элементов (за исключением кислорода). Основную массу составляет SiO₂. По сравнению со средним составом пород почвы обогащены органиче­ским углеродом, азотом, фосфором, серой, т. е. биогенными элементами, накапливающимися в результате деятельности живых организмов. Такие элементы, как Si, Al, Fe, Mg, К, Na, практически унаследованы почвами от почвообразующей породы.

Приведенные в таблице 5 данные об элементном составе почв показывают усредненный состав метрового слоя почвы. Этот слой включает 2-3 (а иногда и больше) почвенных горизонта – генетически связанных между собой слоев почвы, формирующихся в результате расчленения материнской породы в процессе почвообразования.

Почвенные горизонты возникают в результате приноса, выноса, перераспределения и преобразования веществ. Поэтому почвенные горизонты могут значительно отличаться друг от друга по элементному и механическому составу. В поверхностных горизонтах, например, накапливаются органические вещества, азот, фосфор, обменные соединения алюминия, кальция, магния, натрия, калия, во многих случаях происходит потеря силикатных соединений (за исключением SiO₂ в форме кварца).

Совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов, на которые расчленяется почва в процессе почвообразования, определяется как почвенный профиль. В почвенном профиле принято различать три главных генетических горизонта: А – поверхностный гумусово-аккумулятивный; В – переходный к материнской породе; С – материнская горная порода. Возможно более подробное разделение. Так, для большей части Российской Федерации принято следующее деление и обозначение почвенных горизонтов: Ао – лесная подстилка или степной войлок; А – гумусовый; Ai – гумусово-аккумулятивный; Аг – подзолистый; А_п (или A_nax) – пахотный; В – иллювиальный, или переходный, с разделением на Bi, B₂, В₃; В_к – карбонатный; Gj – глеевый; С – материнская горная порода; Д –подсти­лающая порода. Выделяются также переходные горизонты, например АА₂, АгВ, ВС. Иногда используются и дополнительные обозначения свойств почвы и горной породы. Каждый тип почвы характеризуется определенным сочетанием генетических горизонтов, поэтому можно говорить о строении почвы, или ее профиле. Использование системы символов почвенных горизонтов позволяет упростить запись сведений при описании типа почвы.

Примеры решения задач

Пример 7. Если плотность пакета смектита равна 2,65 г/см³, вычислите удельную поверхность слоев в 1 г глины, предполагая, что они имеют толщину 1 нм, и пренебрегая площадью боковой поверхности края пласта.

Решение. Для упрощения решения задачи будем считать, что смектит представляет собой пакет из множества слоев, толщина которых h, согласно условию задачи, равна 1 нм, или 10^~9 м. Определим объем, занимаемый 1 г смектита:

V = 1/ρ,

где ρ– плотность смектита;

V = 1/2,65 = 0,377 (см³/г) = 0,377 ^· 10^–6 (м³/г).

Примем, что этот объем имеет форму параллелепипеда с основанием 1 м х 1 м. Тогда удельная площадь поверхности S_уд будет определяться числом слоев, умноженным на площадь поверхности одного слоя, которая равна 2 м², поскольку у слоя имеется две поверхности. Таким образом, искомая величина определяется следующим выражением:

S_УД = 2V/h,

где S_уд – удельная поверхность смектита;

S_УД = 2 ^· 0,377 ^· 10^–6/10^–9 = 750 (м²/г).

Ответ: удельная поверхность глины составляет 750 м²/г.

Пример 8. Из пробы почвы взята навеска массой 10 г и обработана 25 мл 2 М НСl. По завершении реакции избыток кислоты оттитрован стандартным раствором NaOH. Расчеты показывают, что на реакцию с почвой расходуется 22,5 мл кислоты. При условии, что кислота реагирует только с СаСО₃, вычислите процентное содержание этого вещества (по массе) в почве. Если кислота реагирует с доломитом CaMg(CO₃)₂, найдите процентное содержание этого вещества в почве.

Решение. Соляная кислота взаимодействует с карбонатом кальция по уравнению:

СаСО₃ + 2НС1 ® СаС1₂ + СО₂ + Н₂О.

Определим число молей кислоты, которое взаимодействует с

СаСО₃:

n = C_HClV_HCl,

где C_HCl – концентрация соляной кислоты;

V_HCl – объем кисло­ты, который пошел на взаимодействие с почвой (V = 22,5 мл = 22,5 ^· 10^{–3 л);}

n = 2 ^· 22,5 ^· 10^–3 = 4,5 ^· 10^–2 (моль).

Для полного завершения реакции, согласно стехиометрии уравнения, необходимо в 2 раза меньшее число молей карбоната кальция –2,25 ^· 10^–2 .

Масса СаСО₃ в образце почвы составит:

Т = Мn,

где М – молярная масса СаСО₃;

М= 40 + 12 + 3 ^· 16 = 100 (г/моль);

т* = 100 ^· 2,25 ^· 10^–2 =2,25 (г).

Процентное содержание СаСО₃ в навеске почвы массой 10 г составит:

W = • 100 = 22,5 (%).

Аналогично определяется содержание доломита, при этом примем, что соляная кислота взаимодействует как с карбонатом кальция, так и с карбонатом магния по следующим химическим уравнениям:

СаСО₃ + 2НС1 ®СаС1₂ + СО₂ + Н₂О

MgCO₃ + 2НС1 ® MgCl₂ + СО₂ + Н₂О.

Учитывая, что в доломите карбонаты магния и кальция находятся в эквимолярном соотношении, т. е. n_CaCO3= n_MgCO3получим, что числа молей СаСО₃ и MgCO₃ равны и составляют 1,12 ^· 10^–2 молей.

Пересчитаем моли в граммы, используя ранее приведенное выражение:

m_CаСО3= 100 ^· 1,12 ^· 10^–2 = 1,12 (г),

m_MgCO3= 84 ^· 1,12 ^· 10^–2 = 0,94 (г) (здесь 84 – молярная масса MgCO₃).

Масса доломита будет определяться суммой его составляющих –карбонатов магния и кальция, и процентное содержание доломита в этом случае составит:

W =

Ответ: содержание в почве СаСО₃ – 22,5%, CaMg(CO₃)₂ – 21 %.

Пример 9. Почва содержит 5,2 г органического вещества на 100 г абс. сухой почвы. Вычислите содержание органического вещества в граммах на 100 г воздушно-сухой почвы, если в воздушно-сухом состоянии она содержала 2,3 г Н₂О на 100 г абс. сухой почвы.

Решение. Для того чтобы получить 100 г абс. сухой почвы, необходимо взять 102,3 г воздушно-сухой почвы. Составим пропорцию:

5,2 г органического вещества содержится в 102,3 г воздушно-сухой почвы

X г органического вещества содержится в 100 г воздушно-сухой почвы

Отсюда

» 5,1 (г)

Ответ: в 100 г воздушно-сухой почвы содержится 5,1 г органиче­ского вещества.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: