Вторичные минералы

Как отмечалось раньше, в результате химического выветривания первичные минералы изменяют свой состав и внутреннюю структуру. Выветривание в первую очередь затрагивает поверхность минералов, поэтому с их измельчением возрастает суммарная поверхность, и процессы разрушения ускоряются.

Важнейшим фактором химического выветривания является вода, а также присутствующие в почве кислород и углекислота. Основными типами реакций, происходящими в почве, являются: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление.

Гидратация - это притяжение молекул воды к поверхности минералов. Вследствие полярности молекул воды она представляет собой диполь. При измельчении минералов часть зарядов ионов кристаллической решетки высвобождаются, к ним притягиваются молекулы воды тем конусом, который имеет противоположный заряд. Диполи воды стремятся “выдернуть” ионы из кристаллической решетки минерала, вследствие чего происходит ее расшатывание и разрыхление.

Реакции гидролиза приводят к замене катионов кристаллической решетки на Н⁺ - ионы воды. Схематически данная химическая реакция для полевого шпата описывается следующим образом:

Присутствие в минералах Fe²⁺ также способствует выветриванию, так как окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ приводит к изменению объемов, занимаемых ионами в кристаллической решетке, что вызывает в конечном итоге ее разрушение.

Наибольшей устойчивостью обладает кварц, на состояние которого большинство описанных реакций заметного влияния не оказывают, однако и он в некоторой степени подвергается гидратации.

При полном разрушении силикатов образуются простые продукты выветривания: гидраты окислов Fe, Al, одно- и двухвалентных оснований, гидрат окиси кремния (кремниевая кислота) и некоторые другие кислоты - угольная, серная, соляная, фосфорная и другие, образующиеся при окислении элементов, содержащихся в горных породах.

Высвободившаяся при выветривании кремниевая кислота при слабокислой реакции частично переходит в состояние геля (SiO₂nH₂O), при слабощелочной - золя. В дальнейшем аморфный кремнегель может терять воду и закристаллизоваться, образуя вторичный кварц. Кроме этого, часть кремниевой кислоты может образовывать с основаниями растворимые в воде соли, которые впоследствии могут быть вымыты. В коллоидном и растворенном состоянии кремниевая кислота может вступать в реакцию с полуторными окислами, образуя при этом сложные соединения. Аморфные соединения, содержащие SiO₂ и R₂O₃ в разных соотношениях, называются аллофонами. Теряя воду, гидраты полуторных окислов могут постепенно кристаллизоваться, образуя вторичные минералы: лимонит - 2Fe₂O₃ · 3H₂O, гетит - Fe₂O₃ · H₂O, гематит - Fe₂O₃, гиббсит - Al₂O₃ · 3H₂O, бемит - Al₂O₃ · H₂O.

Освобождающиеся при выветривании основания, реагируя с кислотами, образуют простые соли, являющиеся вторичными минералами: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты, силикаты. В разной степени растворяясь в воде, они могут накапливаться в условиях засушливого климата.

Помимо простых вторичных минералов, при выветривании могут образовываться вторичные алюмосиликаты и феррисиликаты. Эти минералы входят в состав различных глин и поэтому носят название глинных. Являясь частью почв, они определяют очень важные для развития растений почвенные свойства (поглотительная и обменная способность, кислотность, буферность, водоудерживающая способность и др.). Из большого числа глинных минералов, для почв наибольшее значение имеют группы: каолинита, монтмориллонита и гидрослюд.

Минералы группы каолинита имеют двухслойную кристаллическую решетку, которая состоит из двух слоев: слоя кремнекислородных тетраэдров и слоя алюмо-кислородно-гидроксильных октаэдров.

В целом, элементарная ячейка каолинита электронейтральна и соответствует формуле Al₄Si₄O₁₀(OH)₈ или Al₂Si₂O₅(OH)₄. При разламывании пакетов боковые поверхности кристаллов имеют ненасыщенные валентности, что может вызывать адсорбцию ионов из окружающего раствора. Расстояние между пакетами каолинита равна 7,2 А⁰ и не изменяется. Он не впитывает воду в межпакетные пространства и поэтому не набухает. К этой группе минералов относятся, кроме каолита, галлузит (структурная формула Al₂Si₂O₅(OH₄) · 2Н₂О), метагаллузит (Al₂Si₂O₅(OH)₄ · 4Н₂О), диккит и накрит.

Из глинных минералов в почвах большое место принадлежит группе гидрослюд, в которую входят гидромусковит (иллит), гидробиотит и другие гидротизированные слюды. Кристаллическая решетка иллита построена так же, как и у монтмориллонита. Разница состоит в том, что в тетраэдрах часть Si⁴⁺ (до 1/4) защищена Al³⁺. При этом образовавшийся отрицательный электрический заряд компенсируется ионом К⁺, который прочно связывает пакеты между собой. Поэтому межпакетная вода в иллите отсутствует. Гидробиотит образуется из биотита - слюды темного цвета, в которой все октаэдрические места заняты Mg²⁺ и Fe²⁺.

Кроме распространенных индивидуальных глинистых минералов, в природе существуют так называемые смешанно-слоистые минералы, пластинки которых состоят из чередующихся пакетов различных минералов, например, иллита, монтмориллонита и т.д.

Существует также еще группа вторичных минералов: аллофоны. Они состоят из тетраэдров и октаэдров, но расположены беспорядочно, поэтому вследствие отсутствия кристаллического строения они обладают аморфными свойствами.

Глинистые минералы в природе образуются двумя путями. Первый путь представляет собой постепенное изменение первичных минералов, что приводит к образованию новых форм кристаллических решеток. Превращение первичных минералов происходит примерно через такие стадии:

При отклонениях от этой схемы полевые шпаты, минуя стадию гидрослюд, преобразовываются в монтмориллонит или каолинит.

Вторичные минералы могут возникать также путем синтеза из простых продуктов распада первичных минералов: полевых шпатов, амфиболов, вулканических стекол и т.д. Образующиеся при распаде вещества вступают между собой в реакции взаимодействия, продукты которых выпадают в осадок.

Известно, что химическое выветривание выражается следующими стадиями: 1) гидратации силиката; 2) окисление закиси железа; 3) постепенного гидролиза - уменьшения содержания щелочей и замене Н⁺; 4) переход Al из четверной комбинации в шестерную; 5) частичный вынос кремнезема.

Образование слюдоподобных минералов из полевых шпатов происходит вследствие выноса части SiO₂, K₂O, CaO. Гидратация способствует замещению некоторого количества ионов К⁺ ионами Н⁺, что приводит к образованию слюд. Этот процесс можно проиллюстрировать на примере превращения монтмориллонита в гиббсит.

При отслоении одного тетраэдрического слоя у монтмориллонита приводит к образованию каолинита, при этом ионы кислорода “кислородных мостиков” замещаются гидроксилами. В дальнейшем при присоединении воды каолинитом из него образуется гиббсит и SiO₂.

Скорость разрушения первичных и механизм образования вторичных минералов зависят от ряда факторов: 1) особенности первичного минерала (кристаллическая структура, степень дисперсности, химический состав и т.д.), 2) сочетания первичных минералов, 3) температуры, 4) влажности, 5) реакции среды, 6) условий выноса продуктов выветривания, 7) жизнедеятельности организмов.

Основные породы разрушаются быстрее кислых и поэтому продукты их выветривания в большей мере обогащены каолинитом. Поэтому более древние почвы, подвергавшиеся процессам выветривания и почвообразования, содержат относительно много минералов группы каолинита, гибсита и гетита, которые являются конечными продуктами выветривания.

Сухой и холодный климат замедляет разрушение минералов, теплый и влажный - ускоряет. В условиях промывного режима происходит вымывание щелочей, щелочноземельных оснований, кремнезема, и, как следствие, из гидрослюд и монтмориллонита образовывается каолинит и галлузит.

Растения, которые в процессе жизни взаимодействуют с почвой (поглощение воды, элементов питания, кислорода, а также выделение продуктов жизнедеятельности), вносят существенные изменения в состав и свойства почвенного раствора, реакцию среды, значение окислительно-восстановительного потенциала, что в значительной мере оказывает влияние на условия разрушения и синтеза минералов.

Как отмечалось выше, число первичных минералов в природе невелико, поэтому и количество вторичных минералов не отличается большим разнообразием. Наиболее часто встречающимися минералами являются группы гидрослюд (гидробиотит) и монтмориллонита (монтмориллонит, белделлит, нотронит), далее следуют каолинит, галлузит, вермикулит, гиббсит.

Основная масса рыхлых пород состоит из относительно небольшого числа минералов. Из группы первичных минералов в их состав входят кварц, полевые шпаты, слюды и роговые обманки, из вторичных - слоистые алюмосиликаты, окиси и гидроокиси железа и алюминия.

Так как в различных гранулометрических фракциях преобладают различные минералы, то рыхлые породы, подвергаясь сортировке по фракциям, сортируются также по минералогическому составу. Например, в песках содержатся в основном первичные минералы (кварц, полевые шпаты), в глинах – вторичные, в суглинках – смесь первичных и вторичных. Минералогический состав илистой фракций (< 0,001мм) резко отличается от состава более крупных фракций. Из первичных минералов в этой фракции встречается главным образом кварц, который из-за химической устойчивости может сохраниться в виде очень мелких частиц. Другие минералы этой группы присутствуют в очень малых количествах. В данной фракции сосредотачивается основная масса вторичных алюмосиликатов – монтмориллонит, каолинит, иллитовые минералы, вермикулит. Сохранность полевых шпатов обуславливается главным образом их механической прочностью, которая позволяет им сохраняться в виде относительно крупных частиц. Этим объясняется небольшое содержание полевых шпатов в составе мелких фракций.

Химические элементы, входящие в состав литосферы, содержатся в ней в неодинаковых количествах. При этом состав литосферы значительно отличается от состава почвы (табл.2.4.1)

Таблица 2.4.1. Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах, в весовых % (по Виноградову)

Литосфера почти на половину состоит из кислорода – 47,2%, второе место занимает Si – 27,6%, потом Al – 8,8% и Fe – 5,1%. Калий, кальций, магний составляют по 2-3%, остальные химические элементы составляют менее 1%.

Почвы по химическому составу значительно отличаются от литосферы. В них более высокое среднее содержание О и Н, в 20 раз больше С, в 10 – N, однако меньше, чем в литосфере, Al, Fe, Ca, Na, K и Mg. Состав почв относительно почвообразующих пород более динамичен.