Минералы гидроксидов и оксидов

Образуются в процессе гидратации (присоединение молекул воды к безводным минералам, что приводит к трансформации их кристаллической решетки и образованию новых минералов)                                                                               Fe203(гематит)+H2o → FeO(OH) (гетит) + H2O → FeO(OH)3 +nH2O→Fe(HO)3*nH2o(лимонит)

Al2O3*nH20 (биотит)→ Al(OH)3 (гиббсит) →AlO(HO)

Также в процессе окисления

2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4

3. Вторичные глинистые минералы. Устойчивы и сохраняются в выветривающей толще пород.

Образуются в процессе гидролиза (процесс замещения оснований на водородный ион в крислаллической решетке с/катов и алюмос/катовв и их гидратация)

Они слоистые с/каты:

§ Двухслойные – каолинит, гллазуарит, дикит, накрит.

Замещение оснований водородом. Кристаллической структуре каолинита чередуются плоские двухслойные пакеты. Нижний слой состоит из кремнийкислородных тетраэдров, верхний – из алюмогидроксильных октаэдров. Кристаллическая решетка каолинита неподвижна, поэтому он не разбухает от воды. Каолинит – один из конечных продуктов выветривания первичных с/катов. Он весьма распространен в древних корах выветривания.

§ Трехслойные

Монтмориллониты (монтмориллонит, нонтронит) Образуются в щелочной среде, где есть кальций / магний. Состоят из кремнекислородного тетраэдра – октаэдрический слой – ккт. При этом кремний может частично заменяться алюминием, а алюминий в среднем слое – Mg, Fe, Ni, Zn, Cu и другими химическими элементами. Кристаллическая решетка монтмориллонита подвижна, в межпакетные пространства может входить вода, при этом порода разбухает.

Гидрослюды составляют значительную часть дисперсных с/катов кор выветривания и весьма распространены в современных почвах. Гидрослюды обладают трехслойными пакетами, которые между собой соединяются ионами гидроксония H3O+ и K. Если гидрослюды образуются из слюд, то сохраняются элементы кристаллохимического строения исходных минералов (трехслойных пакетов). При образовании гидрослюд из других с/катов происходит полная перестройка кристаллической решетки.

К вторичным минералам также относятся минералы группы гидроксидов Fe (гидрогетит, гидрогематит), являющиеся распространенными новообразованиями; минералы группы гидроксидов марганца (пиролюзит, псиломелан); минералы группы гидроксидов Al(гидроаргиллит, диасприбёмит) и др.

При выветривании в засушливых и сухих услоивях образуется минерал группы карбонатов кальцит CaCO3. Обычно он встречается в виде тонких налетов, а в определенных географических условиях – в форме сплошных кор.

 

 

3.1.г Типы коры выветривания

Кора выветривания – образующиеся рыхлая толща, образовавшиеся в результате выветривания.

В процессе распада первичных минералов и образования вторичных из коры выветривания вымываются легкорастворимые продукты выветривания. В первую очередь выносятся различные простые соли – хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, затем сульфаты и карбонаты Ca и Mg, вслед за ними выносится и некоторая часть кремнезема. Остаются же малоподвижные оксиды Fe, оксиды Al(боксит и др.), а также часть кремнезема, связанного с алюминием в очень устойчивый вторичный минерал каолинит.

Коры выветривания бывают: ОСТАТОЧНЫМИ (что-то выносится, что-то остаётся) и АККУМУЛЯТИВНЫМИ (туда приносятся продукты выветривания)

1. Грубообломочная кора выветривания – продукты физического разрушения горных пород, горные условия, влажный климат, много мощных горных потоков. Слабое химическое изменение первичных минералов и грубообломочность

2. Сиаллитная кора выветривания – характерна для умеренно-холодных, умеренно-теплых влажных областей. Усилено выветривание, усилен вынос продуктов разрушения (посравнению с предыдущими). Много слабовыветренных первичных минералов, есть гидрослюды, монтмориллонит, частично вынесены Са, Mg, Na, K, Si; SiO2/Al2O3>3

3. Ферраллитная кора выветривания (самая продвинутая стадия выветривания) Все первичные минералы разрушены кроме кварца. Из вторичных глинистых минералов Каолинит, гетит, гематит, гиббсит (последние три самые устойчивые) SiO2/Al2O3<2

Б. Б. Полынов установил стадийный характер развития коры выветриваня, связанный с не=мерностью вымывания из нее растворимых продуктов выветривания. Он выделил четыре фазы развития коры выветривания. В обломочной коре выветривания (1) сохраняются все химические элементы исходной горной породы, вторичных минералов практически нет. Из обызвесткованной коры выветривания (2) вынесены освобождающиеся при выветривании хлориды и сульфаты, есть уже некоторое количество гидрослюд, а главное – в обилии имеется кальцит CaCO3 (в виде белых мучнистых конкреций, прожилок, корочек). Этот тип коры выветривания характерен для степей и пустынь. Сиаллитная кора выветривания (3) характерна, наоборот, для влажного климата. Она обогащена гидроксидами Fe, но содержит еще много первичных минералов. Глинистые минералы представлены главным образом гидрослюдами. Все легкорастворимые соли, включая карбонаты, из нее вымыты. Наиболее зрелая стадия – аллитная кора выветривания (4). В ней не сохранилось первичных минералов, они замещены каолинитом и гидроксидами Fe и Al. До такой стадии доходят породы только во влажном и теплом климате субтропиков и тропиков.

 

3.1.д. Гранулометрический состав почвообразующих пород и почв

Обломки плотных пород и минералов различаются по размерам.

Процент содержания в почве частиц того / иного размера и их соотношение называется гранулометрический состав почв.

>3	Каменистая часть почвы
3-1	Песок крупный
1-0.25	Песок средний
0.25-0.05	Песок мелкий
0.05-0.01	Пыль крупная
0.01-0.005	Пыль средняя
0.005-0.001	Пыль мелкая
<0.001	Ил
<0.0001	Коллойды

В основу разделения гранулометрический фракций легли водно-физические свойства. Таким образом выделены четыре фракции:

v Каменистая часть – не обладает способностью удерживать влагу, просачивается в почву, поднимая ее верх.

v Песок - лишь очень слабую водоудерживающую и водоподъемную способность

v Пыль - очень хорошо удерживает влагу и обладает хорошей водоподъёмной силой

v Ил – имеет плохую водопроницаемость и малую водоподъемную силу.

Однако, почвоведы используют другую градцию размера частит при выделении гранулометрического состава почв:

По международной шкале гранулометрические элементы более 2 мм относятся к крупнозему, менее 2 мм – к мелкозему.                                         В мелкоземе выделяют фракции песка среднего и крупного 2-0,2 мм, песка мелкого 0,2-0,074 мм, пыли 0,074-0,002 мм, глины (ила) – менее 0,002 мм.

Классификация пород и почв:

Главным критерием для классификации явл: объединение ранее названных фракций в более крупные группы: физическая глина (все фации частицы которых меньше 0.01мм) и физический песок (фракции размером от 0.01 до 1 мм) 

 Изменение гранулометрического состава по профилю:

1. Верхняя часть профиля содержит /стые и тонкопылеватые частицы и содержит небольшое количество крупнозема. Вниз по профилю уменьшается количество /стых частиц, количество крупнозема увеличивается. Типичен для пород, образованных на маломощном элювии на осадоных / изверженных породах, в следствии выветривания и почвообразовании, происходящем в верхнем горизонте.

2. Верхняя часть почвы более тяжелая по составу чем нижняя. Так же характерна резкая граница перехода. Формирование почвенного профиля в пределах первоначальной неоднородности по составу. (почва на аллювиальных супесях)

3. Верхняя часть профиля обеднена /стыми частицами, затем в середине увеличивается их количество, а в почвообразующей породу их количество либо уменьшается, либо остается прежним. Это объясняется изначально неоднородностью состава наносов / вынос /стых частиц их верхних элювиальных горизонте и накопление их в зонте иллювиальном (из-за процесса почвообразования) / более интенсивное выветривание первичных минералов и образование глинистых минералов в средней части профиля.

Если соотношения фракций в разных горизонтах приблизительно равны, то почва формировалась на достаточно однородной породе, небольшие различия связаны с особенностями почвообразовательного процесса. Если же эти соотношения сильно различаются, то изначальные породы были очень неоднородными. 

Для дифференциации первого из этих двух типов почв по гранулометрическому составу определяют соотношение содержания /стой фракции в иллювиальном (В) и элювиальном (А2) горизонтах:

1,2-1,5 – слабо дифференцирован;                                                                                 1,5-2,0 – средне дифференцирован;                                                                     2,0-3,0 – сильно дифференцирован;                                                                                             > 3,0 – очень сильно дифференцирован.

Жидкая фаза

3.2.а Состояние и категории влаги в почве

Почвенная влага – одна из важнейших и весьма мобильных составных частей почвы. При участии воды совершаются процессы выветривания, гумификации и минерализации органических остатков. Почвенная влага является основой жизни микроорганизмов и высших растений. При участии почвенной влаги происходит                                                                          1. перемещение веществ внутри профиля,                                                              2. обособление генетических горизонтов,                                                              3. вынос части вещества за пределы профиля.                                                             От состояния влажности почвы изменяются ее физические свойства.

Категории почвенной влаги:

1. Кристаллизационная влага прочно связана в кристаллические решетках минералов (алюмос/катов, гидрос/катов, простых солей) и входит в твердую фазу почвы.

2. Твердая влага – лед. Обычно проявляется в верхних горизонтах сезоннопромерзающих почв и постоянно существует в нижнем горизонте почвы с вечно мерзлотой

3. Парообразная влага – водяной пар. Попадает из атм / из-за испарения влаги в почве, и движется из мест с большей упругости пара к меньшей.

4. Жидкая влага – связанная и свободная влага

§ Связанная влага – удерживается на поверхности твердых частиц за счет молекулярного притяжения.

Прочносвязанная (гигроскопическая) влага                                                                              Движение частиц в почве регулируется сорбционными силами (притяжение молекул парообразной воды к твердым почвенным частицам и превращая ее в твердую прочносвязанную гигроскопическую влагу). Начальная стадия процесса заключается в притяжении парообразной воды к поверхностным молекулам и ионам самого вещества. Следующий слой образуется за счет притяжения молекул абсорбированной воды. То есть все молекулы абсорбированной воды находятся в строго определенном положении.                                                                                                                                              Свойства: она имеет повышенную плотность (1.1-1.7), меньшая теплоемкость (около 0.5), не способна проводить электрический ток и растворять электролиты, не замерзает до -78°                                                        Гигроскопическая влага удерживается на поверхности почвенной частицы силами молекулярного притяжения очень прочно. Удалить ее можно только переходом в парообразное состояние при нагревании почвы до 100°.                                                                                                                                  º Максимальная гигроскопичность – водно-физическая константа показывающая максимальное кол-во гигроскопичной влаги в почве.

Рыхлосвязанная (пленочная) влага                                                                       Вода удерживаемая силами молекулярными приняжения сверх максимальной гигроскопичности. Основной признак – ориентированное расположение молекул. Эту воду почва не может поглотить из насыщенной влагой атм. Они сорбируется только при соприкосновении почвенных частиц с водой. Способна к передвижению от частиц с более тонкими плёнками к частицам с менее толстыми. Может быть удалена при центрифугировании / опрессовывание.                                                                      º Максимальная молекулярная влагоемкость – наибольшее кол-во влаги, которое может удерживаться в почве силами молекулярного притяжения.

§ Свободная влага

Капиллярно-подвешенная вода                                                                                                        Отсутствие гидростатической связи с постоянным / временным водоносным горизонтом. Она образуется при увлажнении почвы сверху.    º Наименьшая влагоемкость (полевая влагоёмкости почвы) (НВ) -наибольшее количество подвешенной влаги, остающейся в верхнем горизонте, после смачивания почвы сверху.                                                                                 Виды подвешенной влаги:                                                                                      а) Стыковая к/п – встречается в почвах различного гранулометрического состава в виде разобщенных вокруг точек соприкосновения твердых частиц. Влажность <НВ                                                                                                       б) Внутиагрегатная к/п – заполняет поры капиллярного размера в почвах обладающих макроструктурой. Влажность <НВ                                                               в) Насыщающая к/п -     в зернистых почвах целиком заполняет поровые пространства почвенной массы. Возникает при исходной сухости почвы. Удерживается за счет изначальной сухой почвы.                                                                 г) Сорбционно-замкнутая к/п – встречается в почвах тяжелого и среднего гранулометрического состава в виде микроскоплений в крупных порах, изолированных друг от друга перемычками из связанной влаги.

 

Капиллярно-подпертая влага                                                                                                           а) Подперто-подвешенная капиллярная влага – образуется при влажности = НВ в слоистых толщах в более тяжелых (менее пористых) слоях при подстилании их более легкими (более крупнозернистыми)                                                 б) Подпертая капиллярная – влага капиллярной каймы над временным / постоянным зеркалом почвенно-грунтовых вод в почвах любого гранулометрического состава.                                                                                     º Капиллярная влагоемкость – максимальное количество капиллярно подпертой влаги в почве

Свободная гравитационная влага                                                                                                              Передвижение под влиянием силы тяжести.                                                               а) Подсачивающаяся влага – состояние нисходящего движения по крупным полостям некапиллярного размера. Влажность >НВ                                                                 б) Влага водоносных горизонтов – грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды, удерживаемые вследствие наличия водонепроницаемого горизонта.

 

 

Газовая фаза

Несмотря на постоянную связь с атм почвенный воздух значительно отличается от атм-ого. Он обеднен кислородом и значительно обогащён углекислотой из-за протекающих в почве биологических и биохимических процессов. (дыхание корней, поглощают кислород и выделяют углекислоту, содержание которой больше у корней в почве) Чем обильнее и активнее микробное население почвы, тем больше потребляется кислород и выделяется углекислота.                                                                       Также кислород расходуется на окисление при внутрипочвенном выветривание минералов.                                                                                    Поэтому содержание CO 2 = 0.2-0.5%, часто увеличивается до 1% (в тяжелых почвах при переувлажнении и заболачивание возрастает до 5-10%) Кислорода = 10-20% (при таком содержании растения при t=18°С развиваются нормально, а при более высокой t – плохо) Чем выше температура, тем больше требуется кислорода для нормального роста растений. (при понижении кислорода до 1-2% в переувлажнённых почвах рост замедляется)

‼ Главным фактором жизни растений явл не избыток углекислоты, а недостаток в почвенном воздухе кислорода.

В некоторых почвах накапливаются газообразные продукты разложения организмов: аммиак, сероводород, метан, азот                                                                                     Также в почвенном воздухе присутствуют летучие органические соединения, представляющие продукты жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов.                                                                                                            В почвах содержаться водяные пары в количестве, близкому к полному насыщению воздуха при данной температуре.

Аэрация почвы – процессы обмена почвенного воздуха и его составляющими с приземной атм.

ФАКТРЫ, регулирующие скорость, направление и объем воздухообмена:

1. Изменение температуры почвы и атм.                                                   

При понижении t почвы в нее из атм поступают новые порции воздуха, а пи нагревании почвы и расширении газов идет обратный ток воздуха из почвы в атм. (снижение t - сжатие газов, повышение t – расширению). Имеют суточный ритм, следую суточному изменению температуры почвы, охватывают верхние горизонты, так как колебание t наиболее значительное.

2. Изменение влажности почвы

Поступление в почву воды и затопление пор сопровождается вытеснением воздуха, при просыхании почв в освободившиеся поры поступает воздух из атм. Имеет большое значение в орошаемых и периодически заполняемых почвах.

3. Изменение барометрического давления

Приводит к смене направления воздушного потока из почвы в атм и из атм в почву. (воздух двигается из высокого в низкое давление). Он имеет значение при существенных перепадах давления.

4. Действие ветра  

Играет некоторую роль в воздухообмене, так как может изменить у земной поверхности градиент атм давления.

‼ Обновление почвенного воздуха зависти от густоты растительного покрова.

Обмен воздуха за счет диффузии газов – это процесс перемещения молекул газа / пара в направлении убывания концентрации / парциального давления.                                                                                                             Кол-во газа, которое продиффундируется со стороны более высокого парциального давления в направление более низкого, подчиняется ур-ию:               
d – переносимая масса газа, D – коэф диф, C –площадь dc/dx – градиент концентрации на единицу длины вдоль направления x, t – время диф.                                                                                                                             Численно коэф = кол-во вещ-ва, диффундирующего через 1 см² за 1 с, при градиенте концентрации = 1.                                                                                                         ‼ Разность парциального давления кислорода и углекислоты явл главной причиной газообмена. Из почвы в атм диффундирует углекислота, а из атм в почву-кислород                                                                                                                  На скорость процесса влияет: градиент концентрации, порисость почвы, влажность.(при одинаковом градиенте коэф и увеличении пористости, увеличивается выделение угликислоты).                                                                      Коэф диффузии углекислоты, изменяется в связи с содержанием влаги и уменьшении свободной пористости.