Лекция Минералогический состав (4 часа)



жүктеу 142.36 Kb.
Дата17.04.2016
өлшемі142.36 Kb.
түріЛекция
: content -> page
content -> Өлкетану әдебиеттері бөлімі Отдел краеведческой литературы Қазақ өлеңінің жырдариясы
content -> Өткен сенбіде үйде демалып жатқанымда, есіктің сыртынан тықыр естілді. Іле қоңырау шырылдады. Сұрамастан аша салдым. Екі балаң жігіт тұр екен. «Аға, жарапазан ғой» деді де, домбыраны қағып-қағып жіберіп, әнге басты
content -> Сводный график по защите магистерских диссертаций научного и педагогического и профильного направлений 2010 г. 14. 06. 2010 г
content -> Әл-Фараби атындағы ҚазҰУ-дың Ғылыми әдістемелік кеңесінің 2012 ж мәжілісінің
content -> Программа вступительного экзамена по специальности для поступающих в магистратуру по специальности «6M020400 культурология»
content -> Қр бғм білім және ғылым саласындағы бақылау Комитеті
page -> Правила деятельности представительств зарубежных юридических фирм в кнр
page -> Пресинформация 31 юли, 2012 година Opel adam – големи инвестиции в малкия автомобил
page -> Удостоверение за регистрация ркк-01-6094
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:



  1. Первичным минералам магматического и метаморфического происхождения.

  2. Вторичным минералам, образовавшихся в коре выветривания и в почвах в результате стадийного разрушения первичных минералов и синтеза из конечных продуктов выветривания.

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




Минералы - окислы

содержание в почве

SiO2 кварц

25-40, иногда 90%

Fe2O3 гематит

< 0,5 %

Fe3O4 магнетит

< 0,5 %

TiO2 титанит

< 0,5 %


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).



  • кремнекислородные и


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 l 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 ZrO2SiO2


Ильменит 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:

Оливин




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 минералов


Горные 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 15104 паскаль; шириной 1 мм составляет 15107 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 Н24 окисляется S

Fe SО4 + О2+ Н2О = Fe(ОН3) + Н24 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) + Н24 + 4H2O = H2AL2Si2O8H2O(каолинит)+ CaSО4(гипс) + 2 H2O

При возд. Н24 на другие силикаты образуются другие сернокислые соли: мирабилит Na2SO410 H2O, глауберит Na2SO4Са 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:

  • 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:


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

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

  1. Хлорит, нонтронит

  2. Иллит, гидромусковит, серицит

  3. Вермикуллит

  4. Монтмориллонит, бейделлит

  5. Вторичный диоктаэдрический хлорит.

  6. Аллофаны, каолинит, галлуазит

  7. Бемит, гиббсит

  8. Гематит, гетит, лимонит, лепидокрокит









©netref.ru 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет