ВТОРИЧНЫЕ МИНЕРАЛЫ

Вторичные глинистые минералы образуются из первичных (полевых шпатов, слюд и др.) в результате физических, химических и биологических процессов выветривания, протекающих в плотной, неперемешиваемой среде — почвообразующих породах и почве, что ограничивает приток «строительного материала» — кремниевой кислоты и алюминия для роста кристаллов, поэтому по условиям образования они в принципе не могут быть крупнокристаллическими. В отличие от первичных минералов, присутствующих в почве в виде песчаных частиц и крупной пыли, значительная часть вторичных минералов почвы представлена тонкодисперсными кристаллическими и аморфными минералами. Диаметр частиц вторичных минералов обычно составляет менее 0,002 мм. Они образуют в основном глинистую, илистую, предколлоидную и коллоидную фракции почвы, что определяет величину их удельной поверхности и химическую и адсорбционную активность поверхности.

С точки зрения питания растений и применения удобрений структура и химический состав поверхности почвенных минералов имеют важное значение, так как доступность многих элементов питания растениям зависит от характера химической адсорбции элементов питания и скорости десорбции.

Глинистые минералы по своему строению и свойствам подразделяются на три группы: каолиниты, монтмориллониты (смектиты) и гидрослюды (иллиты). Кристаллическая решетка глинистых минералов состоит из кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксид - ных октаэдров.

Каолинит Al₂Si₂0₅(OH)₄ — глинистый минерал типа 1 : 1 (от кит. као — высокий, повышенный, ling — гора, холм), алюмосиликат, кристаллическая решетка которого образована пакетами, состоящими из двух слоев: один слой (сетка) — кремекислородные тетраэдры; другой — алюмогидроксидные октаэдры, связанные между собой общим кислородом (см. рис. 2.1).

Замещений в тетраэдрах и октаэдрах каолинит практически не имеет. Порода, состоящая главным образом из каолинита, называется каолином, поэтому использование двух названий как синонимов вполне допустимо. Вследствие образования водородных связей между кислородом тетраэдров и водородом октаэдров примыкающих друг к другу пакетов (слоев) связь между пакетами довольно устойчива, постоянное межпакетное расстояние — 0,7 нм (lk) и, следовательно, нерасширяющаяся решетка. Образование каолинита протекает в условиях близких концентраций Si и А1 в кислой среде и промывном водном режиме, способствующем выносу обменных оснований. Поэтому наибольшее содержание каолинита наблюдается в почвах влажных регионов и особенно влажных тропиков. ЕКО каолинита варьирует от 5 до 15 мг-экв/100 г. Его удельная поверхность мала — 30—50 м²/г, что обусловлено неучастием внутренней поверхности межпакетного пространства в адсорбции. Каолинит обычно образует фракцию тонкой пыли, грубой и средней глины, слабо перемещающуюся по профилю.

Галлуазит (Al₂Si₂O_s(OH)₄) • лН₂0 назван в честь О. Галлуа. Он относится к каолинитовой группе глинистых минералов 1:1, замещений в тетраэдрах не имеет, отличается переменным межпакетным расстоянием. Галлуазит состоит из двухслойных пакетов, аналогичных каолиниту, но разделенных одним слоем молекул воды. При высыхании галлуазит дегидратируется и переходит в псевдокаолинит.

Каолинит образуется в основном из полевых шпатов (ортоклаза, альбита и др.). Реакции каолинизации можно представить в следующем виде:

Смектиты (от греч. smektikos — очищающий) — группа глинистых минералов с трехслойными пакетами, а также переменным межпакетным расстоянием и содержанием К⁺, Na⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺. Смектиты при гидратации способны к набуханию и межпакетной (интрами- целлярной) адсорбции катионов калия и аммония. Минералы отличаются высокой дисперсностью и удельной поверхностью. К смек- титам относятся монтмориллонит, бейделлит, нонтронит и др.

Монтмориллонит AL Si₄O₁₀(OH)₂ назван по месту его обнаружения — Монтмориллон, Франция. Это глинистый минерал типа 2:1, обладающий расширяющейся решеткой с переменным межплоскостным расстоянием. Кристаллическая решетка монтмориллонита аналогична кристаллической решетке слюд и состоит из трехслойных пакетов (см. рис. 2.2). Центральный слой пакета состоит из алюмогидроксидных октаэдров, а два внешних слоя — из кремнекислородных тетраэдров. В монтмориллоните между тетраэдрами внешних слоев отдельных пакетов в отличие от каолинита не могут образовываться водородные связи, поэтому отдельные пакеты слабо связаны между собой, вследствие чего при гидратации расстояние между ними значительно увеличивается (они набухают). Наряду с А1-монтмориллонитом, участвующим в процессе изоморфного замещения в октаэдрах А1 на другие ионы металлов (Fe, Mg, Сг и др.), в почве в определенном количестве присутствуют также близкие ему по строению и свойствам Fe-монтмориллонит (нонтронит), Mg- монтмориллонит, Cr-монтмориллонит и др.

Монтмориллониты способны при гидратации к набуханию (рис. 2.3). Монтмориллониты образуются в условиях относительно высокой концентрации ионов кремниевой кислоты (H₄Si0₄). Повышенное содержание кремнезема обычно характерно для слабодре- нированных материнских пород. Монтмориллонит характерен для климатических условий с продолжительным засушливым периодом (субтропический и умеренный континентальный климат). ЕКО монтмориллонита варьирует в пределах от 80 до 130 мг-экв/100 г, его удельная поверхность близка к 800 м²/г.

Монтмориллонит обычно преобладает в черноземах и каштановых почвах.

Рис. 2.3. Монтмориллонит:

слева — в сухом состоянии; справа — после впитывания воды (при набухании)

Бейделлит (от названия месторождения Бейделл в США) — глинистый минерал типа 2:1с расширяющейся кристаллической решеткой, очень близкий к монтмориллониту, но более обогащен кремнием. Его ЕКО — около 80—120 мг-экв/100 г.

Гидрослюды (гидромусковит, гидробиотит, вермикулит, глауконит) — слюдоподобные трехслойные минералы типа 2:1, отличающиеся от слюд тем, что в их составе присутствует меньше связующих катионов К⁺, но в значительных количествах — молекулы связанной воды, которая легко удаляется при нагревании. Образуются гидрослюды при выветривании слюд, а также в результате гидротермальных процессов. Химический состав их непостоянен из-за меняющегося содержания катионов, связывающих пакеты, и воды. По физическим свойствам они занимают среднее положение между монтмориллонитом, хлоритом и каолинитом.

Гидромусковит KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂ • яН₂0 представляет собой продукт частичного гидролиза мусковита, его химический состав непостоянен. Содержание калия по сравнению с мусковитом (9,8%) меньше — 3—6%, а содержание кремния выше.

Гидробиотит K(Fe²⁺, Mg ²⁺)₃[AlSi₃O₁₀](OH)₂ • яН₂0 отличается от биотита рыхлой структурой и более низким содержанием К, Fe, Mg и А1, которые замещены на Н₂0.

Вермикулит K(Mg ²⁺, Fe²⁺)₃ [AlSi₃O₁₀ ](ОН)₂ • 4Н₂0 (от лат. vermiculus — червячок) при нагревании и высыхании образует червеобразные нити. Содержание MgO в нем — 14—23%, Fe₂0₃ — 5—17, Si 0₂ - 36-42, А1₂0₃ - 10-13, Н₂0 - 10-20, К₂0 - менее 5%.

Характерными свойствами гидрослюд являются более высокая дисперсность и удельная поверхность, чем у слюд, и относительная доступность содержащихся в них элементов питания. Содержание элементов питания (Са, К, Mg, Р, Fe и др.) в разных по размеру фракциях почвы определяется их минералогическим составом, который обусловливает степень их дисперсности, т.е. гранулометрический состав. Фракции песка и пыли, состоящие преимущественно из кварца и полевых шпатов, бедны элементами питания. Слюды, гидрослюды и вторичные глинистые минералы, содержащие необходимые растениям элементы питания, образуют в основном тонко- дисперсные фракции почвы, причем первые — в силу их неустойчивости к выветриванию, а условия образования вторичных глинистых минералов (плотная, неперемешиваемая среда) ограничивают их рост.

Таким образом, почвы разного гранулометрического состава значительно различаются как по содержанию в них элементов питания, так и по их доступности растениям. Почвы, содержащие большее количество вторичных минералов и слюд (суглинистые и глинистые), имеют более высокое потенциальное плодородие, чем супесчаные и песчаные.

Важную роль в физико-химической характеристике почв играют пленки различных оксидов и гидроксидов, образующиеся на поверхности тонкодисперсных минералов и органических частиц. Они оказывают большое влияние на агрохимические и физические свойства почвы, что до настоящего времени еще не получило должной оценки. Эти пленки имеют сложный состав, разнообразны по строению и связи с почвенными частицами. Основными химическими компонентами пленок являются оксиды и гидроксиды кремния, железа и алюминия, реже — других металлов. Значительную часть пленок составляют Fe(OH)₃ и А1(ОН)₃, содержание которых может достигать соответственно 35—45 и 20—30% от суммарного их количества в почве, при этом наибольшей устойчивостью обладают пленки Fe(OH)₃, меньшей — А1(ОН)₃.

Таким образом, адсорбируясь тонким слоем на поверхности почвенных дисперсных частиц и экранируя их, аморфные вторичные минералы в значительной мере влияют на поглотительную способность почв. Большую роль в процессе выветривании минералов играет гидратация. Последовательность гидролитического разложения силикатов можно представить на примере ортоклаза:

в более кислой среде:

в углекислой среде:

Продуктами выветривания полевых шпатов являются каолинит и кремниевая кислота:

В условиях жаркого и влажного климата при значительной продолжительности процессов выветривания вторичные минералы подвергаются глубокому дальнейшему разложению и переходят в конечные простые продукты химического выветривания — оксиды кремния, алюминия и железа, являющиеся наиболее устойчивыми в зоне выветривания. Такое разложение можно представить в следующем виде:

В результате химического выветривания происходят образование и накопление минерального вещества в тонкодисперсном и коллоидном состояниях.