Лекция Минералогический состав (4 часа)
жүктеу/скачать 142.56 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Первичные минералы
- TiO 2 титанит
- Циркон ZrO 2 SiO 2
- Выветривание и образование вторичных минералов
| Лекция 2. Минералогический состав (4 часа)
Минеральные вещества в почвах составляют 90-95 % в гумусовых горизонтах и более 99% в минеральных горизонтах. Исключением являются торфяные горизонты, лесные подстилки и ветошь. Минеральная часть в основном наследуется от почвообразующих пород. По мере развития почвообразовательного процесса минералы претерпевают ряд изменений. В рыхлых почвообразующих породах и в почвах минеральная часть слагается из минералов, по своему происхождению относящимся к двум группам:
По содержанию минералы подразделяются на породообразующие, содержание которых в почве и породах составляет более 5%, относительно редкие и акцессорные, образующие относительно ничтожную примесь в горных породах.Первичные минералы представлены тремя группами: минералами-окислами, минералами-силикатами и минералами-солями.Минералы-окислы
Кварц – наиболее распространенный минерал земной коры и почв. Он содержится в изверженных, метаморфических и осадочных породах. Основой кристаллохимической структуры кварца является кремнекислородный тетраэдр (SiO4), состоящий из четырех ионов кислорода, между которыми расположен ион кремния (рис.1). 
   Ион кислорода
  Ион кремния
Рис. 1. Кремнекислородный тетраэдр. Кремнекислородные тетраэдры кварца соединяются в сплошной каркас, в котором ионы кислорода принадлежат нескольким тетраэдрам. Подобная кристаллохимическая структура обуславливает высокую устойчивость к процессам выветривания. Силикаты – это большая группа минералов, основой кристаллохимической структуры является кремнекислородный тетраэдр. Они представлены полевыми шпатами, слюдами, пироксенами, амфиболами и оливином.Полевые шпаты по массе в почве составляют ~ 50%. Их кристаллохимическая структура также как и кварца представляет собой каркас из кремнекислородных тетраэдров. В отличие от кварца внутри тетраэдров кремний частично замещен ионом алюминия, имеющего больший радиус. Возникшая нестабильность в строении компенсируется включением в структуру силикатов катионов щелочных ищелочноземельных металлов (К+,Na+,Ca2+). Полевые шпаты делятся на кислые и основные. К кислым полевым шпатам относятся К- и Nа- полевые шпаты. Они имеют светлую окраску, отношение SiO2/Al2O3, характеризующее относительное содержание кремния и алюминия в минерале, составляет 5-6. Они представлены минералами калиевыми полевыми шпатами микроклином (триклинный) и ортоклазом (моноклинный) K[AlSi3O8] и натриевым полевым шпатом альбитом Na[AlSi3O8]. К основным полевым шпатам относятся кальциевые полевые шпаты, представителем которых является минерал анортит Ca[Al2Si2O8].Изоморфные смеси Na- и Ca- полевых шпатов образуют группу плагиоклазов. Если в плагиоклазах преобладают Na- полевые шпаты, то они относятся к кислым (олигоклаз, олигоклаз-альбит). Если в плагиоклазах преобладают Ca- полевые шпаты, то они относятся к основным (андезин, лабрадор).Слюды входят в состав многих изверженных и осадочных пород.. Содержание их в почвах составляет 4-5%. Они имеют слоистую кристаллохимическую структуру, в которой SiO4-тетраэдры образуют плоские сетки. Вершины обращенных друг к другу тетраэдров связаны ионами Al c OH- группой, образуя трехслойные пакеты, соединенные между собой ионами К,Mg,Fe (рис.2).
Al OH Al OH Al алюмокислородные тетраэдры 
К, Mg, Fe
Al OH Al OH Al
Рис. 2. Кристаллохимическая структура слюд Калийная слюда – мусковит KAl[AlSi3O10](OH)2, светлая, устойчива к выветриванию. Магнезиально-железистая слюда – биотит K(Mg,Fe)[AlS3O10](OH)2 темная, менее устойчива к выветриванию. Слюды в процессе выветривания легко теряют ионы щелочей. Пироксены и амфиболы составляют 5-15 % в почвах. SiO4 – тетраэдры их образуют цепочки, соединенные ионами Mg, Fe, Al, Са, К, Na. Это темные зеленоватые минералы. Наиболее распространены: среди пироксенов авгит R2(Si2O6), среди амфиболов роговая обманка R7 (Si4O11) (OH)2. Оливин (Mg, Fe) (SiO4), составляет в почвах 0,5-1 %. SiO4 – тетраэдры в оливине представлены изолированными группами, соединенными двухвалентными катионами. Минералы группы оливина чрезвычайно неустойчивы и быстро разрушаются. Минералы-соли представлены в основном фосфатами и сульфидами. Фосфаты в основном представлены минералом апатит Са5 (Сl F)(PO4)3. Содержание в почвах 0,3-0,5 %. Является источником Р и Сl. Иногда образует залежи.Сульфиды в основном представлены минералами пирит и марказит FeS2. Содержание в почвах 0,3-0,5%. Иногда образуют месторождение колчеданных руд.К акцессорным минералам относятся: Циркон ZrO2SiO2Ильменит FeTiO3 Сфен (титанит) Ca Ti Si O5 Плавиковый шпат CaF2 Эпидот Ca2 (Al Fe3+) Al2 (O(OH) SiO4 (Si2O7) Минералы с различной кристаллохимической структурой обладают неодинаковой устойчивостью к выветриванию. Если расположить главнейшие породообразующие минералы по степени возрастания их устойчивости к процессам выветривания, то будет иметь место следующая последовтельность, установленная С. Голдичем: О  
Авгит Са-плагиоклаз
Роговая обманка Na-Са – плагиоклаз
Биотит Са-Na - плагиоклаз
Na – плагиоклаз 
 
Калиевый полевой шпат
Мусковит
Кварц
Рис. 3. Устойчивость породообразующих минералов. Выветривание и образование вторичных минераловГорные породы, попадая на дневную поверхность, оказываются в условиях резко отличающихся от условий, в которых они образовались. Поэтому они теряют устойчивость и подвергаются процессам преобразования. Сумма процессов преобразования горных пород на поаерхности Земли называется выветриванием. Процесс преобразования горных пород включает многочисленные процессы и явления. Условно можно разделить их на физическое выветривание и химическое. Физическое разрушение горной породы вызвано в основном периодическим нагреванием и охлаждением их. Коэффициент расширения разных минералов и одного и того же минерала по разным осям, неодинаков. При нагревании и охлаждении образуются трещинки. Попадающая в них вода оказывает давление очень большое. При обычной температуре в трещинах шириной 1 мкм капиллярное давление составляет примерно 15104 паскаль; шириной 1 мм составляет 15107 паскаль. Замерзая вода еще более расширяет трещины, т.к. энергия кристаллизации очень велика. В жарких сухих областях действие аналогичное льду производят соли. Химическое изменение. Агентами химического выветривания является Н2О, О2, Н2СО3, органические соединения кислотного типа. Чем больше физическое выветривание, тем больше химическое или биохимическое выветривание. Гидратация – присоединение воды (чаще к минеральным окислам). Fe2O3 (гематит ) + H2O = 2 FeO (OH) (гетит) FeO(CO) гетит + H2O = Fe2 O(OH)2 (гидрогетит) Fe2O(OH)2 гидрогетит + H2O = 2 Fe(OH)3 H2O лимонит Окисление Fe и S и последующая гидратация соединений сопровождается образованием гидратов окиси Fe и сернокислых солей. 2Fe S2 + 7 О2 + 2 Н2О = 2 FeО4 + 2 Н2 SО4 окисляется S Fe SО4 + О2+ Н2О = Fe(ОН3) + Н2 SО4 окисляется Fe2+→ Fe3+ Разложение (гидролиз) это реакция замещения оснований ионом Н+ с гидратацией промежуточных и конечных продуктов распада. Источником Н является Н2 СO3 и органические кислоты, растворенные в воде. CaAl2Si2O8(анортит) + Н2SО4 + 4H2O = H2AL2Si2O8H2O(каолинит)+ CaSО4(гипс) + 2 H2O При возд. Н2 SО4 на другие силикаты образуются другие сернокислые соли: мирабилит Na2SO410 H2O, глауберит Na2SO4Са SO4, тенардит Na2SO4 и т.д. Глинка (1906) показал, что в результате стадийного преобразования калевые полевые шпаты и слюды сначала преобразуются в слюдоподобные кислые соли и на конечном этапе при условии свободного удаления подвижных продуктов и подкисления среды образуется каолинит. Органические кислоты и Н2СO3 в почвах образуются благодаря жизнедеятельности организмов - лишайников, бактерий, водорослей. Они образуются и при разложении органических веществ. Поэтому химическое выветривание правильнее называть биохимическим. Вторичные минералы Вторичные минералы представлены алюмосиликатами (глинистыми минералами), окислами (аморфными и окристаллизованными) и солями. Алюмосиликаты отличаются:
Алюмосиликаты подразделяются на группы монтмориллонита, гидрослюды, каолинита, хлорита, смешаннослойных минералов. Монтмориллонитовая группа минералов Наиболее типичными представителями этой группы являются монтмориллонит mMg3(OH)2[Si4O10]n(Al,Fe)2[Si4O10]pH2O, бейделлит (А1203SiO2 nH2O) и нонтронит - железистая разновидность монтмориллонита. Кроме указанных в формулах элементов, в монтмориллоните содержится около 4% МgО, а также различные поглощенные (обменные и необменные) катионы. Монтмориллонит, бейделлит и нонтронит – трехслойные минералы. Основой кристаллохимической структуры минералов монтмориллонитовой группы являются кремнекислородный тетраэдр и алюмогидроксильный октаэдр (рис. 4), образующие трехслойные пакеты, соединенные между собой катионами К, Mg, Ca, H3O.
- кремнекислородный тетраэдр 
- алюмогидроксильный октаэдр
K, Mg, Ca, H2O
Рис. 4. Кристаллохимическая структура трехслойных алюмосиликатов. Часть Si в тетраэдрах замещена Al, часть Al в октаэдрах замещена Fe и Mg. Отношение SiO2/Al2O3 сильно варьирует. Минералы монтмориллонитовой группы образуются из слюд, основных изверженных пород, а также синтезируются из продуктов разрушения разных минералов в щелочной среде, богатой Ca и Mg. Кристаллическая решетка монтмориллонита подвижна, в межпакетные пространства может входить вода.
Из трехслойных минералов в почвах довольно часто, но в небольших количествах встречаются вермикулиты. Отличие их от гидрослюд состоит в том, что вермикулит имеет решетку, расширяющуюся от воды и полярных органических жидкостей. По способности к набуханию, высокой гидратации, емкости поглощения катионов (около 100 мг-экв/100 г) вермикулиты сходны с монтмориллонитом, от которого они отличаются более высоким содержанием магния и железа. Вермикулиты образуются главным образом из биотита и гидрофлогопита. Вермикулиты богаты магнием, микроудобрениями, иногда калием. Каолинитовая группа минералов Главнейшими представителями этой группы являются каолинит А12[Si205](ОН)4 и галлуазит А12[Si205](ОН)4∙4H2O. Оба минерала имеют двухслойную кристаллическую решетку (рис.5).
Рис. 5. Кристаллохимическая структура двухслойных алюмосисликатов. Отличие каолинита от галлуазита состоит в том, что он содержит меньше воды и имеет стабильную ненабухающую кристаллическую решетку. Галлуазит более гидратирован и имеет расширяющуюся решетку. Каолинит и галлуазит довольно часто встречаются в почвах одновременно, но, как правило, в небольших количествах, за исключением ферраллитных почв, где он является основным глинистым минералом. Отношение SiO/Al2O3=2. Емкость поглощения низкая (20мг-экв./100г.п.). Образуется при выветривании полевых шпатов, слюд с в условиях выноса К, Na, Ca, Mg и части SiO2. Условиями, благоприятствующими образованию каолинита, является: обилие просачивающихся через почву осадков, большой возраст почв, кислая реакция. Вследствие различий в структуре и повышенной дисперсности галлуазит обладает более высокой емкостью поглощения катионов (25-30 мг-экв/100 г) и фосфат-ионов, большей связностью и гидрофильностью, чем каолинит. Минералы группы каолинита содержат мало кальция, калия и магния, поэтому почвы, богатые каолинитовыми минералами, обычно нуждаются в минеральных удобрениях, в том числе калийных, магниевых и кальциевых. Среди глинистых минералов в почве часто встречаются хлориты. Это группа слюдоподобных минералов подкласса слоистых силикатов характерно отсутствие натрия, калия, кальция. Кристаллическая решетка их четырехслойная ненабухающая.
Разрушаются и алюмогидроксидные октаэдры, при этом освобождаются аморфные гидроокислы алюминия: Al2O3· nH2O. При совместном осаждении SiO2·nH2O и Al2O3·nH2O образуются аллофаноиды с варьирующим отношением SiO2/Al2O3 и неопределенным содержанием Н2O. Кристаллизация аллофаноидов приводит к образованию вторичных каолинита, монтмориллонита и других минералов. Кристаллизация гидрооксидов алюминия Al2O3·nH2O в чистом виде ведет к образованию гидраргиллита, гиббсита Al(OH)3 и далее бемита AlO(OH). Это типичные минералы продуктов выветривания и почв влажных субтропиков и тропиков. При выветривании Fe-содержащих силикатов – авгитов, роговых обманок, оливина освобождаются гидрооксиды Fe, которые, по мере кристаллизации и потери воды, образуют лимонит, гидрогетит, гетит и вторичный гематит. Имеют яркий цвет. При выветривании Mn-содержащих минералов образуются пиролюзит MnO2, псиломелан (m MnOnMnO2·pH 2O). Освобождающиеся при выветривании первичных минералов Ca, Mg, K, Na соединяются с СO3- и образуют карбонаты. СaAl2Si2O8 + H2CO3 + 2H2O → H2Al2Si2O8·2H2O + CaCO3 каолинит кальцит При выветривании калиевых полевых шпатов и кислых натриевых плагиоклазов образуются сода Na2CO 3·10H 2O, поташ K2CO 3·H 2O. При выветривании Ca, Mg - содержащих минералов образуется доломит (Ca, Mg) CO3.
В засоленных почвах всегда присутствуют карбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты кальция, магния, натрия, калия. В незаселенных почвах также могут присутствовать названные соли в небольших количествах или в значительном количестве, но в глубоких горизонтах профиля. Соли образуют различные минералы: кальцит СаСОз, гипс СаS04∙2Н20, доломит СаМg(СОз)2, мирабилит Nа2S04∙10 Н20 галит или хлористый натрий NаС1, натриевую селитру NаNО3. Как показывает химический состав солей, они служат источником питания растений кальцием, магнием, азотом, серой. В сухой почве подобные минералы образуют кристаллы, которые при увлажнении частично или полностью растворяются, в зависимости от природы соединения. Если в растворе образуется высокая концентрация солей (1-2%), то они оказывают неблагоприятное воздействие на растения. Наиболее вредны соли, которые при растворении создают сильнощелочную реакцию, например, углекислый натрий или сода, и содержащие ионы хлора, например, хлористый натрий. Некоторые соли оказывают положительное влияние на почву и их используют в качестве мелиорирующих средств. Например, углекислым кальцием известкуют кислые почвы, гипсом улучшают свойства солонцов. Незначительные количества медных, кобальтовых, цинковых, марганцевых солей применяют для удобрения почвы микроэлементами. По степени устойчивости вторичные минералы образуют следующий ряд:
2. Кальцит (CaCO3),арагонит Ca[CO3], доломит [Ca, Mg] (CO3)2
жүктеу/скачать 142.56 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|