15.Вторичные минералы, их свойства, группы, влияние на почвообразование.

Среди вторичных минералов – минералы простых солей, гидроокислы и окислы, глинистые минералы. Минералы простых солей образуются при выветривании 1-х минералов и как результат почвообразования: кальцит, магнезит, сода, гипс и др. Они растворимы в воде и в условиях засушливого климата могут вызвать засоление почв. Минералы гидроокисей и окисей – гидроокиси Si, Al, Fe, Mn. Образуются при выветривании первичных в виде гелей, затем происходит их дегидратация и кристаллизация с образованием окисей и гидроокисей кристаллической структуры. В почвах их немного. Чем больше они окристаллизованы – тем меньше их растворимость. Благодаря высокой удельной поверхности они поглощают фосфор, делая его недоступным для растений. Глинистые минералы являются вторичными алюмосиликатами. Формула nSiO2*Al2O3*mH2O , соотношения SiO2:Al2O3 = 2-5. Образуются при выветривении 1-х минералов и биогенным путём при разложении органических остатков.  1) гр МОНТМОРИЛЛОНИТА (монтмориллонит, бейделит, нонтронит) SiO2:Fe2O3 = 4. Трёхслойная структура (тетраэдры разделены октаэдрическим слоем). Кристаллическая решётка подвижная, способны к набуханию, мелкодисперсны (60% - коллоиды). Обладают высокой поглотительной способностью (80-120 мг/100г). Образуют с ГК прочные комплексы, что приводит к образованию водопрочной структуры. Во влажном состоянии набухают, в сухом растрескиваются, образуют корку. Обладают высокой липкостью, слабой водопроницаемостью.  2) гр КАОЛИНИТА (каолинит, галуазит) Двухслойная кристаллическая решётка (тетр. И окт.)  Не набухают, бедны основаниями, ёмкость поглощения – не более 20 мг-экв/100г  3) гр ГИДРОСЛЮДЫ (гидромусковит, гидробиотит). Трёхслойная структура. Набухают, содержат 6-7% калия. Образуются из ПШ и слюд. В почве очень распространены.  4) гр ХЛОРИТЫ – 4-х слойная структура, не набухают. Содержат в своём составе макро и микроэлементы: железо, никель, хром, магний.  5) гр СМЕШАННОСЛОЙНЫЕ – широко распространены в почве. В их структуре чередуются слои различных минералов.  На мин. Состав почв оказывает влияние очень большое количество факторов: минералогический и химический состав исходной почвообразующей породы, биоклиматическая обстановка почвообразования, соотношение рН и О-В потенциала среды, дренаж, присутствие катионов в среде, возраст почвообразования, присутствие хелатизирующих органических компонентов в среде.  От мин. Состава зависят все свойства почв, определяющие их плодородие: резерв пит. Элементов, водно-физические свойства, наличие доступных элементов питания растениям и т.д.

Вторичные минералы представлены алюмосиликатами (глинистыми минералами), окислами (аморфными и окристаллизованными) и солями.

Алюмосиликаты отличаются:

небольшим размером (диаметр кристаллов измеряется мкм и долями мкм);

наличием коллоидных свойств: имеют заряд (преимущественно отрицательный), сорбционные свойства по отношению к катионам, могут переходить в состояние золя и геля;

некоторые сильно набухают;

относятся к группе алюмосиликатов (двух-, трех-, четырехслойных) SiO₂/Al₂O₃ = 2-5;

гидратированы.

Алюмосиликаты подразделяются на группы монтмориллонита, гидрослюды, каолинита, хлорита, смешаннослойных минералов.

Монтмориллонитовая группа минералов

Наиболее типичными представителями этой группы являются монтмориллонит mMg₃(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.

Гидрослюды включают такие минералы, как гидромусковит (иллит) КА1₂[Si,Аl)₄O₁₀](OH)₂nH₂O, гидробиотит K(Mg,Fe)₃[Al,Si)₄O₁₀](OH)₂nH₂O, гидрофлогопит, глауконит. Они, также как монтмориллонит, относятся к трехслойным минералам с многочисленными аморфными замещениями. Решетка гидрослюд стабильная, не набухающая. Она не расширяется от воды. Гидрофильность, связность, липкость, набухание гидрослюд значительно меньше, чем монтмориллонита. Минералы этой группы встречаются почти во всех почвах и составляют, как правило, значительную часть илистой фракции. Источником образования гидрослюд являются главным образом слюды (мусковит, биотит), в которых часть калия и магния замещается на гидратированный ион водорода. Кроме того, гидрослюды могут образоваться синтетическим путем из продуктов распада полевых шпатов, слюд и др. Входящие в состав гидрослюд калий и магний довольно хорошо усваиваются растениями, поэтому почвы, богатые гидрослюдами, как правило, обеспечивают калийное и маг­ниевое питание растений.

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.

При гидролизе алюмосиликатов освобождается SiO₂ тетраэдров. Часть выносится, а часть осаждается в виде гелей SiO₂nH₂O, при высыхании образуется опал, далее при кристаллизации образуется халцедон. Новообразования аморфного SiO2·n H2O обычны в коре выветривания и в почве и имеют белесую окраску.

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.

К аморфным минералам и веществам относятся окислы железа, алюминия и марганца, аморфный кремнезем, аллофаны, вулканические стекла. Источником аморфных окислов являются различные минералы и растворы. Аморфных веществ обычно в почве очень мало, однако их значение в формировании почвенного профиля очень велико. Гидроокиси железа часто окрашивают профиль почв в бурые и ох­ристые тона. Аллофаны принимают участие в поглощении катионов и фосфатов, оказывают влияние на липкость и связность почв, увеличивают их гидрофильность.

Минералы-соли.

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:

Гипс ( CaSO₄·10 H₂O), галит (NaCl), мирабилит (Na ₂SO₄) и др. соли.

2. Кальцит (CaCO₃),арагонит Ca[CO₃], доломит [Ca, Mg] (CO₃)₂

Хлорит, нонтронит

Иллит, гидромусковит, серицит

Вермикуллит

Монтмориллонит, бейделлит

Вторичный диоктаэдрический хлорит.

Аллофаны, каолинит, галлуазит

Бемит, гиббсит

Гематит, гетит, лимонит, лепидокрокит