Происхождение и состав минеральной части почв

Планета Земля состоит из минералов и горных пород. Они являются основой почв и определяют многие их свойства. Поэтому для почвоведения чрезвычайно важны знания о распространении, образовании минералов и горных пород, их свойствах и изменениях во времени.

В данной главе рассмотрены в основном минералы и горные породы, образовавшиеся в земной коре и гидросфере. Наиболее распространенные минералы и горные породы, составляющие твердую фазу почв, изучают на практических занятиях.

Понятия о минералах и горных породах

Минерал — это природное химическое соединение, реже — самородный элемент. Минералы могут быть твердыми, жидкими и газообразными, например:

• кварц (SiO₂),
• оливин [(Mg, Fe)₂(SiO₄)],
• микролин [(К, Na)(AlSi₃O₈)],
• доломит [Ca, Mg(CO₃)₂],
• гематит (Fe₂O₃),
• гипс (CaSO₄ • 2Н₂O),
• галит (NaCl),
• сера (S),
• вода (Н₂O),
• диоксид углерода (СO₂) и др.

Горная порода состоит из нескольких или одного минерала, занимающего значительное пространство. Например, гранит состоит в основном из кварца, полевого шпата и слюды; рыхлые горные породы — суглинки — представлены обломками < 1 мм большого количества минералов; пласты минерала галита многометровой мощности.

Минералы и горные породы изучаются геологическими науками — минералогией и петрографией. Они вместе с геохимией рассматривают материальный состав Земли.

Минералогия изучает состав, химические и физические свойства минералов, их происхождение, процессы изменений и превращений в другие минералы, а также взаимоотношения одних минералов с другими в минеральных месторождениях или горных породах.

Петрография

Задачей петрографии (от греческого слова «петра» — камень) является изучение минерального состава пород, их строения, сложения, условий залегания, распространения, происхождения и образования различных полезных ископаемых.

В настоящее время известно около 2800 минералов, но распространены они неодинаково. Минералы, наиболее часто встречающиеся и образующие основу многих горных пород, называют породообразующими.

Содержание породообразующих минералов в земной коре (поА. Е.Ферсману)

Название минерала                                                         % по массе

Полевые шпаты                                                               55,0

Пироксены и амфиболы                                                       15,0

Кварц и его разновидности                                                   12,0

Вода в свободном и поглощенном состоянии                                 8,25

Слюды                                                                         3,0

Оксиды и гидроксиды                                                         3,0

Глинные минералы                                                            1,5

Кальцит                                                                         1,5

Фосфаты                                                                       0,75

 

Наибольшее распространение получили минералы, содержащие кислород, кремний и алюминий, так как эти элементы преобладают в земной коре — 82,58 %. Первые двенадцать элементов составляют 99,29 %, а на все остальные приходится всего 0,71 %.

Среднее содержание элементов в земной коре (по Кларку)

 

Элементы иначе называют кларками — по фамилии ученого, определившего их среднее содержание в земной коре.

Следует обратить внимание на то, что в материнских породах почв и в разных генетических горизонтах содержание элементов иное, что связано с происхождением пород и почвообразовательными процессами (табл. 1).

1. Валовой химический состав земной коры, почвообразующих пород и почв, %

В пересчете на оксиды	В земной коре (по Ф. Кларку)	Дсрново-срсднсподзолистая (В. П. Ковриго)		Чернозем типичный (Л. И. Прасолов)		Краснозем (Б. Б. Полынов)
		Покровный красновато-бурый суглинок	А 0–18 см	Лёссовидный суглинок	А 20–25 см	Аллитная кора выветривания	А 10–15 см
SiO2	60,3	66,7	75,3	73,0	75,7	53,4	59,1
А12O3	15,6	15,6	11,0	16,1	15,8	31,3	22,5
Fе2Оэ + + FeO	7,0	6,8	3,4	6,2	6,2	12,0	14,1
СаО	5,2	1,3	1,2	1,8	3,2	0,1	0,4
MgO	3,5	1,9	0,9	2,8	2,0	1,1	1,2
К2O	3,2	1,9	1,8	3,1	2,4	Не определяли	Не определяли
Na2O	3,8	1,3	1,7	1,5	1,4	Тоже	Тоже
Р2O5	0,3	0,1	0,1	Не определяли	Не определяли	0,57	1,47

 

Процессы образования минералов и горных пород

Выделяют три группы процессов образования минералов и горных пород.

1. Эндогенные. Они связаны с магматическими очагами, в основном приуроченными к базальтовому слою земной коры (см. рис. 1). Здесь господствуют высокие температуры и давление.
2. Экзогенные, или гипергенные. Совершаются в гидросфере и в зоне осадочных пород, особенно активно в слоях, выходящих на поверхность и близко к ней залегающих. Для зоны экзогенных процессов характерны низкие температуры и низкое давление.
3. Метаморфические. Происходят главным образом в гранитном слое земной коры и ниже — в твердой массе глубинных пород под влиянием высокого давления и высоких температур, но недостаточных для перевода минеральной массы в расплавленное состояние.

Остановимся подробнее на этих процессах.

Процессы образования минералов в эндогенной зоне

С эндогенной зоной земной коры связано течение магматических, пегматитовых, пневматолитовых, гидротермальных и вулканических процессов образования минералов.

Все эти процессы протекают при остывании магмы (ультракислых, кислых, средних, основных и ультраосновных по содержанию SiO₂ расплавов); в них участвуют практически все известные элементы, но в разных количествах.

Это прежде всего SiO₂, А1₂O₃, Fe₂O₃, FeO, СаО, MgO, Na₂O, К₂O. В составе магматических очагов находятся раскаленные газы, пары воды и горячие водные растворы. В раскаленных газах магматических очагов содержатся многие элементы, такие, как В, F, S, Н, О, CI, P, С, N, As, Sb и др.

Часть из них находится в свободном состоянии, а часть — в соединениях, например в виде HF, HC1, СО, СO₂. В горячих водных растворах, или гидротермальных растворах магматических очагов, находящихся в условиях высокого давления, содержатся кремний, фтор, железо, магний, сера, цинк, медь и др.

Под магматическими процессами минералообразования понимают образование минералов при остывании основного минерального расплава магмы. В зависимости от температуры и давления выкристаллизовываются разные минералы.

К минералам магматического происхождения относятся полевые шпаты (лабрадор, микроклин, ортоклаз), слюда биотит, оливин, магнетит, апатит и др.

Пегматитовые процессы

Пегматитовые процессы — сложные процессы кристаллизации минерального расплава в последние моменты его остывания. Образующиеся при этом минералы носят название пегматиты.

Для них часто характерна определенная направленность кристаллов; иногда сочетание минералов создает своеобразный рисунок, например письменный гранит. Среди пегматитов могут быть кварц, микроклин, слюда мусковит, флюорит, ряд редкоземельных минералов, а также содержащих уран и радий.

Пневмалитовые процессы

Пневматолитовые процессы (от греческого «пневматос» — пар, дыхание, газ) — это процессы образования минералов при остывании раскаленных газов магматических очагов. При этом совершается ряд химических реакций, которые приводят к образованию минералов.

Процессы пневматолиза оказывают значительное влияние на образование слюд. Часто в процессах пневматолиза важную роль играет вода, которая вступает в реакцию с летучими соединениями. При этом может образоваться, например, кварц:

SiO₂ • SiF₄ + 2H₂O = 2SiO₂ + 4HF.

Компоненты раскаленных газов магматических очагов также вступают в реакцию с твердой массой ранее образовавшихся минералов. При этом происходят химические реакции, сопровождаемые изменением химического состава минералов и образованием новых минералов (эндогенный метасоматоз).

В результате гидротермальных процессов происходит выпадение минералов из горячих водных растворов магматических очагов при их остывании: непосредственно из раствора без побочных реакций, в результате реакций между соединениями раствора и за счет реакций растворенных соединений с минералами боковых пород земной коры (эндогенный метасоматоз).

При образовании в земной коре трещин, обычно разветвленных, гидротермальные растворы устремляются в них под влиянием высокого давления, быстро остывают, попадая в область низких температур и давления.

Такие минералы, как правило, имеют стекловатую или скрытокристаллическую структуру в отличие от хорошо окристаллизованных минералов, образовавшихся при медленном остывании магматических очагов.

Минералы, образовавшиеся в трещинах земной коры при остывании гидротермальных растворов, называют жильными. Гидротермальные жилы в основном выполнены жильным кварцем — SiO₂, халцедоном — SiO₂, кальцитом — СаСO₃, флюоритом — CaF₂.

Реже жильное тело представлено сидеритом — FeCO₃, магнезитом — MgCO₃ и другими минералами. Из рудных минералов в гидротермальных жилах встречаются самородные металлы (золото — Au, серебро — Ag, медь — Cu), сульфиды (пирит — FeS₂, халькопирит — CuFeS₂, галенит — PbS, сфалерит — ZnS) и др.

Вулканический процесс минералообразования происходит при выбросе магмы на поверхность земной коры при ее прорыве из магматического очага. Место прорыва магмы — вулкан — может быть на суше и на дне моря.

При вулканизме минералы образуются из всех трех компонентов магматических очагов: из минерального расплава, из газов и паров и гидротермальных растворов.

Эти компоненты остывают на поверхности земной коры очень быстро, поэтому образуются минералы и породы пористой, стекловатой и скрытокристаллической структур.

Вулканическое стекло — обсидиан, пемза, базальт и др. У минералов и горных пород вулканического происхождения имеются аналоги полнокристаллической структуры, образовавшиеся при медленном остывании глубоких магматических очагов.

Минералы, образовавшиеся из компонентов магмы, называют первичными. В результате тектонических движений земной коры отдельные ее области в течение геологического времени поднимаются и происходит горообразование.

Первичные минералы, оказавшись на дневной поверхности, подвергаются воздействию воды, кислорода, диоксида углерода, живых организмов. Совершающиеся сложные химические процессы приводят к образованию новых минералов, называемых вторичными. Образование вторичных минералов происходит также в рыхлых приповерхностных слоях земной коры, в гидросфере и атмосфере.

Процессы образования минералов в экзогенной или гипергенной зоне

В этой зоне различают следующие группы процессов образования минералов: экзогидатогенные, в результате выветривания, минералообразование в водных бассейнах, биогенные и метасоматические процессы.

Экзогидатогенные процессы образования минералов — это процессы выделения минералов из холодных нисходящих водных растворов поверхностного происхождения. Талые и дождевые воды, фильтруясь через почвы и рыхлые породы, растворяют те или иные минеральные соединения.

Растворяющая способность воды значительно возрастает при повышении в ней концентрации СO₂, H₂S, органических и минеральных кислот. При определенных высоких концентрациях ионов происходит образование и выпадение минералов.

Так образуются кристаллы гипса CaSO₄ • 2Н₂O, галита NaCl, кальцита СаСO₃, кварца SiO₂, вивианита Fe₃(PO₄) • 8Н₂O и др.

Процессы минералообразования в результате выветривания. Прежде всего необходимо дать определение выветриванию.

Читайте также: Дерновые почвы

Под выветриванием понимают процессы изменения физического состояния и химического состава минералов и горных пород под влиянием Н₂O₂, O₂, СO₂, температурных колебаний, живых организмов (растительных и животных), делювиальных потоков (талых и дождевых вод), разрушительной деятельности моря, рек, ветра, ледников и ледниковых вод.

Различают виды выветривания: химическое, биологическое и физическое (механическое), которые часто совершаются одновременно. В разных природных зонах и в разных экологических условиях те или иные виды выветривания преобладают.

Примеры реакций

Рассмотрим процессы химического выветривания, которые приводят к образованию вторичных минералов в экзогенной зоне под влиянием абиотических факторов: воды, диоксида углерода и кислорода воздуха.

Эти процессы охватывают толщу осадочных пород в сотни метров, они активно совершаются и в почвах. Остановимся на примерах наиболее распространенных реакций при химическом выветривании:

1. Растворение: СаСO₃ + Н₂O + СO₂ ↔ Са(НСO₃)_2, Кальцит, Бикарбонат Са
2. Окисление (оксидация): 4FeCO₃ + 3Н₂O + 2O = 2Fe₂O₃ • 3Н₂O + 4СO_2, Сидерит, Лимонит
3. Гидролиз: K₂[Al₂Si₆O₁₆] + 2Н⁺ + 2OН^–→Н₂[Al₂Si₆O₁₆] + 2КOН, Ортоклаз, Алюмокремниеоая кислота
4. Гидратация: Fe₂O₃ + 3Н₂O = Fe₂O₃ • 3Н₂O, Гематит, Лимонит
5. Карбонатизация: H₂SiO₃→H₂O + SiO₂
6. Оглинивание (образование глинных минералов): 2K₂[Al₂Si₆O₁₆] + 4Н₂O + 2СO₂ = [Al₄(OH)₈Si₄O₁₀] +2К₂СO₃ + 8SiO_2, Ортоклаз , Каолинит, Поташ, Свободный кремнезем

При химическом выветривании первичных минералов из каждого минерала часто образуется несколько вторичных. Например, из оливина в результате реакции карбонатизации образуются магнезит, опал и сидерит:

(Mg, Fe)₂SiO₄ + 2H₂O + 2CO₂ = MgCO₃ + SiO₂ • 2H₂O + FeCO_3, Оливин, Магнезит,  Опал, Сидерит

Далее при оксидации из сидерита может образоваться лимонит:

4FeCO₃ + 3Н₂O + 2O = 2Fe₂O₃ • 3Н₂O + 4СO₂,

Лимонит, а при дегидратации опал частично переходит в халцедон и кварц: SiO₂•2H₂O→SiO₂→ SiO_2, Халцедон, Кварц.

Таким образом, при химическом выветривании первичных минералов образуются вторичные минералы в виде простых солей, гидроксидов, оксидов и глинных минералов. В процессе химического выветривания изменяется первоначальная окраска минералов.

Необходимо отметить, что кварц наиболее стоек к химическому выветриванию, поэтому широко распространен в осадочных обломочных породах и в почвах.

Образование простых солей и их более высокая растворимость в воде создают возможность активного вовлечения химических элементов в биологический круговорот веществ, что играет важную роль в почвообразовании.

При растворении различных солевых минералов происходит также миграция образовавшихся ионов через толщу рыхлых пород экзогенной зоны или до грунтовых вод. В результате химических реакций при замещении катионов или анионов в ранее образовавшихся минералах возникают новые минералы (метасоматический процесс).

Глинные минералы

Большое значение для плодородия почв имеет наличие в них глинных минералов, с которыми связано очень важное агрономическое свойство почв — поглотительная способность, а также водные, общие физические и другие свойства.

Глинные минералы являются экзогенными образованиями. По классификации М. Ф. Викуловой они подразделяются на аморфные и кристаллические или более точно — скрытокристаллические. Среди кристаллических глинных минералов выделяют группы каолинита, монтмориллонита и гидрослюд.

Ещё по теме: Болотные почвы

Представителем аморфных глинных минералов является аллофан (mА1₂O₃ • nSiO₂ • pH₂O). Он образуется при химическом выветривании вулканического стекла, вулканического пепла, а также при взаимодействии сульфатных вод с глинными минералами и силикатами алюминия.

Каолиниты

В группе каолинита рассмотрим каолинит и галлуазит. Каолинит [Al₄(OH)₈Si₄O₁₀] — это двухслойный по кристаллической решетке минерал, образующийся при химическом выветривании полисиликатов.

Отношение Si : А1 в кристаллической решетке этого минерала составляет 1:1. Галлуазит [Al₄(OH₈)Si₄O₁₀] 4H₂O — глиноподобный двухслойный землистый минерал, образуется при разрушения аллофана и каолинита.

Монтмориллонит

Главным представителем второй группы кристаллических глинных минералов является монтмориллонит. Это трехслойный по кристаллической решетке минерал. Структура монтмориллонита отвечает формуле [Al₄(OH)₄Si₈O₂₀] nН₂O.

Отношение Si : А1 в кристаллической решетке этого минерала равно 2 : 1. Он образуется при химическом выветривании полисиликатов в составе основных (по содержанию SiO₂) магматических пород (габбро, базальтов) в условиях щелочной среды и является довольно устойчивым к химическим изменениям минералом.

В больших количествах монтмориллонит содержится в бентонитовых глинах, образовавшихся при химическом изменении вулканических туфов и пеплов, оседавших главным образом в морских бассейнах.

К трехслойным по кристаллической решетке глинным минералам группы монтмориллонита относится бейделлит, который отличается от монтмориллонита тем, что часть ионов Si⁴⁺ заменена на А1³⁺, а появившиеся при этом избыточные отрицательные заряды компенсированы заменой кислородных ионов на гидроксилы — [А1₆(ОН)₆ • Si₆O₁₈] nH₂O.

К группе монтмориллонита принадлежит также нонтронит. В его кристаллической решетке в отличие от монтмориллонита ион А1³⁺ значительно замещен на ион Fe³⁺ — [Fe₄(OH)₄Si₈O₂₀] nH₂0.

Гидрослюды

К группе гидрослюд относятся минералы, занимающие промежуточное положение между глинными и слюдами. Гидрослюды являются продуктами химического выветривания слюд и полевых шпатов. Их относят к трехслойным минералам глин.

Они представлены:

• иллитом (К, Н₃O)А1₂(OН)₂[(А1, Si)₄O₁₀] nН₂0 — промежуточным образованием между мусковитом и каолинитом, с кристаллической структурой, переходной к структуре монтмориллонита;
• вермикулитом (Mg, Fe²⁺, Fe³⁺)₃(OH)₂[(Si, А1)₄О₁₀] 4Н₂O — продуктом химического выветривания слюд биотита и флогопита;
• глауконитом — водным алюмосиликатом К, Fe и А1 морского химического происхождения, имеющего примерный химический состав K(Fe³⁺, Al, Fe²⁺, Mg)_2–3(OH)₂[Si₃(Si, А1)О₁₀] nН₂O.

В почвах встречаются и другие глинные минералы. Среди них отметим смешанно-слоистые образования, в кристаллической решетке которых чередуются слои разных минералов, например монтмориллонита с иллитом, каолинита с мусковитом и т. д.

В зависимости от минералогического и петрографического составов почвообразующих пород при химическом выветривании минералов образуются различные глинные минералы, но во многих почвообразующих породах и почвах равнинных территорий преобладают глинные минералы группы монтмориллонита.

В породах и почвах содержатся минералы, не относящиеся к глинным, но обладающие близкими к ним свойствами. Это цеолиты — группа алюмосиликатов кальция и натрия, реже калия и бария, эндогенного и экзогенного образований, кристаллической каркасной структуры с полостями в виде «каналов», обеспечивающих высокую удельную поверхность.

Благодаря этому цеолиты содержат слабо связанные с их жесткой основой молекулы воды, обладают высокими адсорбционными свойствами по отношению к катионам, легко обменивают их на катионы почвенного раствора.

Химический состав минералов изменяется под влиянием не только абиотических факторов (химическое выветривание), но и под влиянием биологического выветривания, под которым понимают механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов.

Под действием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Корни растений, лишайники, микроорганизмы выделяют диоксид углерода и органические кислоты, разрушающие минералы и высвобождающие минеральные элементы питания.

Нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии и тионовые бактерии — серную. Под воздействием этих кислот на труднорастворимые минералы образуются легкорастворимые в воде соединения, катионы или анионы которых легко усваиваются растениями и микроорганизмами:

• 2K₂[AI₂Si₆O₁₆] + 4HNO₃ + 2Н₂O = [Al₄(ОН)₈ Si₄O₁₀] + 8SiO₂ + 4KNO₃ Ортоклаз
• 2Са₅[РO₄]₃ОН + 14HNO₃ = ЗСа[Н₂РO₄]₂ + 7Ca(NO₃)₂ + Н₂O. Апатит

Диатомовые водоросли, усваивая кремний, способны разлагать алюмосиликаты, силикатные бактерии — полевые шпаты. Дождевые черви, личинки жуков и другие животные организмы, пропуская через свой пищеварительный тракт минеральную и органическую массу (до 100 т на 1 га), в значительной степени изменяют ее химический состав.

Верхнюю часть рыхлых осадочных пород земной коры, от поверхности до грунтовых вод, принято называть корой выветривания.

В этой толще создаются наиболее благоприятные условия для химического выветривания минералов и горных пород, так как постоянно происходит ее периодическое смачивание фильтрующимися дождевыми и талыми водами, а также за счет капиллярного поднятия влаги от зеркала грунтовых вод.

В порах этой толщи содержится достаточно воздуха для течения химических реакций, который обновляется благодаря движению воды в порах, изменению температуры пород, атмосферного давления и других факторов. Различают два основных типа коры химического выветривания: сиаллитную и аллитную.

Для сиаплитной коры выветривания, распространенной на территориях с умеренно влажным климатом, наиболее характерно содержание в валовом составе пород SiO₂ (65—75 %) и А1₂O₃ (10—15 %), а в составе глинных минералов преобладают минералы группы монтмориллонита и гидрослюд.

Ранее мы писали про Сероземы

Для аллитной коры выветривания, распространенной в субтропических областях, характерно повышенное содержание валового алюминия в породах (А1₂O₃ до 35 %) при снижении до 50 % валового содержания SiO₂.

В аллитной коре выветривания больше в 2—3 раза валового железа (Fe₂O₃ 12—15 %) по сравнению с сиаллитной корой выветривания. В составе глинных минералов преобладают каолинит и галлуазит.

Процессы минералообразования в водных бассейнах. Это процессы осаждения минералов в морских и океанических заливах, а также в бессточных соляных озерах в условиях жаркого климата, при интенсивном испарении воды и возрастающей в воде концентрации солей.

Действительно, при среднем содержании солей в Мировом океане 3,5 % осаждение солей из такого ненасыщенного раствора не осуществляется, но оно может происходить, если раствор морской воды станет перенасыщенным.

Необходимые для этого условия имеются, например, в мелководном заливе Кара-Богаз-Гол, расположенном на восточном берегу Каспийского моря в зоне пустыни и соединенном с морем узким мелким проливом.

Благодаря интенсивному испарению воды в заливе наблюдается одностороннее ее течение из Каспия; содержание солей в заливе повышается в 18—20 раз по сравнению с первоначальным их количеством в воде Каспийского моря.

При этом происходят образование и осаждение в летнее время минерала тенардита Na₂SO₄ и в осенне-зимнее время мирабилита Na₂SO₄ • 10Н₂О по реакциям

• 2NaCl + MgSO₄↔Na₂SO₄ + MgCl₂;
• 2NaCl + MgSO₄ + 10H₂O↔Na₂SO₄ • 10H₂O + MgCl₂.

Зная условия образования солевых минералов из морской воды, можно предположить, что, например, район г. Соликамска Пермской области, где находятся богатейшие мировые месторождения калийных солей, был в древнее пермское геологическое время (285 ± 10 млн лет назад) заливом моря.

Подобным Кара-Богаз-Голу. Соликамские месторождения солей представлены многометровыми пластами галита NaCl, сильвина КС1, сильвинита КС1 • NaCl, карналлита КС1 • MgCl₂ • 6Н₂O, гипса CaSO₄ • 2Н₂O и др. В морской воде в микроколичествах всегда содержатся микроэлементы, поэтому они входят в состав солевых минералов как примеси.

Биогенные процессы минералообразования

Совершаются при участии живых организмов, а минералы носят название биолиты.

Различают следующие процессы биолитообразования.

1. Минералы образуются только после смерти организмов, после их сложных превращений и химических изменений (фосфориты, ископаемые угли и т. д.).
2. Минералы образуются при жизни организмов и освобождаются после их смерти. Таково происхождение СаСО₃ в известняках из раковин моллюсков, диоксида кремния в диатомите из раковин диатомовых водорослей и т. д.
3. Минералы образуются и выделяются в процессе жизниорганизмов как результат биохимических процессов. Например, образование биолита серы часто связано с разложением гипса при участии органического вещества и деятельности серобактерий: CaSО₄ • 2Н₂О + 2C (органическое вещество) = CaS + 2СО₂ + 2Н₂О; CaS + СО₂ + Н₂О = H₂S + СаСО₃.

Далее под влиянием серобактерий сероводород окисляется с образованием серы: H₂S + О = Н₂О + S.

При участии бактерий могут выделяться гидроксиды железа, марганцевые соединения и т.д. Селитры (натриевая — NaNО₃ и калиевая — KNО₃) — также типичные биолиты.

Условия для образования биолитов имеются в современное время в водах Черного моря. На глубине 150—200 м и ниже за счет жизнедеятельности организмов (гниение белка и восстановление солей серной, сернистой и других кислот).

Образуется значительное количество сероводорода, который является не только исходным соединением для образования самородной серы, но и для минералов класса сульфидов: пирита FeS₂, халькопирита CuFeS₂ и др.

Метасоматические процессы минералообразования. С этими процессами мы уже ознакомились при рассмотрении процессов минералообразования в эндогенной зоне земной коры (эндогенный метасоматоз при течении пневматолитовых и гидротермальных процессов).

В экзогенной зоне сущность метасоматических процессов та же. Происходит замещение ранее образовавшегося минерала новым с заменой катионной или анионной части соединения в результате химического воздействия циркулирующих растворов на ранее образовавшиеся минералы (экзогенный катионный или анионный метасоматоз).

Например, при частичной замене в кальците известняков катионов кальция на магний образуется доломит:

2СаСО₃ + MgCl₂ = СаСО • MgCО₃ + СаС1₂ 

Кальцит     Раствор           Доломит             Раствор

Сфалерит может замещаться ковеллином:

ZnS + CuSО₄ = CuS + ZnSО₄.

Сфалерит     Раствор   Ковеллин  Раствор

Примером анионного метасоматоза может служить образование гипса из кальцита:

СаСО₃ + Н₂О + H₂SО₄ = CaSО₄ • 2Н₂О + СО₂.

Кальций                                            Гипс

К метасоматическому процессу относятся также окремнение известняков, образование в отдельных случаях фосфоритов при фосфоритизации известняков.

Метаморфические процессы минералообразования

В результате тектонических движений земной коры минералы (и горные породы), образовавшиеся в экзогенной и эндогенной зонах, могут оказаться в зоне метаморфизма и находиться под воздействием новых физических условий давления, температуры, а также новых химических условий, при которых они становятся неустойчивыми и превращаются в другие минералы.

В зоне метаморфизма совершаются реакции образования минералов, обратные тем, которые происходят в верхних частях земной коры. Это дегидратация, деоксидация, декарбонатизация. Например, опал SiО₂ • Н₂О, теряя воду, превращается в халцедон и кварц.

Лимонит Fe₂О₃ • Н₂О, потеряв воду, переходит в гематит Fe₂О₃, а последний, лишаясь некоторого количества кислорода, превращается в магнетит FeO • Fe₂О₃. Под влиянием высокого давления графит переходит в алмаз и т. д.

Мы рассмотрели процессы происхождения первичных и вторичных минералов в породах и почвах и обратили внимание на то, что один и тот же минерал может иметь разное происхождение, например кварц — магматическое, пневматолитовое, гидротермальное, биогенное, в результате химического выветривания и т. д.

Несмотря на то, что в почвах и материнских породах минералогический состав в результате процессов выветривания и почвообразования изменился, закономерности преобладания тех или иных элементов, которые наблюдались в земной коре, сохранились.

Со временем произошло образование в основном более простых по химическому составу минералов с повышением растворимости их в воде. Образовались также минералы, которых не было среди первичных: биолиты, глинные и др.

Некоторые минералы, например солевые водорастворимые (хлориды, сульфаты и др.), подверглись перераспределению в коре выветривания в результате трансгрессии и регрессии моря, деятельности ветра, передвижения солевых растворов и т. д.

Все минералы принято классифицировать по химическому составу: силикаты (метасиликаты — пироксены и амфиболы, ортосиликаты — слюды, полисиликаты — полевые шпаты), оксиды и гидроксиды (группы кремнезема, железа, алюминия, марганца и др.), карбонаты, фосфаты, сульфиды и т. д.

Образование горных пород

Образование горных пород происходит в тех же зонах земной коры, в которых образуются минералы, так как горные породы состоят из минералов. Поэтому рассмотрение отдельно процессов образования горных пород от процессов образования минералов условно.

В основу классификации горных пород положено их происхождение, а отличия проявляются в составе минералов, строении и сложении.

В зависимости от зоны образования различают три генетических типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы

Их подразделяют на глубинные (интрузивные), образовавшиеся при медленном остывании магмы в эндогенной зоне, состоящие из хорошо окристаллизованных минералов, и горные породы излившиеся (эффузивные), стекловатые, пористые, скрытокристаллической и порфировой структуры, что обусловливается быстрым охлаждением магмы на поверхности Земли при извержении вулканов.

Для классификационных целей большое удобство представляет также деление магматических пород (интрузивных и эффузивных) по кварцевой основе, т. е. по среднему валовому содержанию SiО₂ как самой важной составной части. По этому признаку различают пять групп магматических пород.

Магматические породы	Среднее валовое содержание SiО2, %
I. Ультракислые	> 75
II. Кислые	65…75
III.Средние	52…65
IV.Основные	40… 5 2
V. Ультраосновные	< 40

 

В связи с тем что эффузивные горные породы образуются из магм того же состава, что и интрузивные, существуют их взаимные аналоги по составу минералов.

Основные классификационные принципы магматических горных пород показаны в таблице 2. Все магматические породы, так же как и минералы эндогенного происхождения, называют первичными.

2. Характеристика некоторых магматических горных пород

Порода	Минералогический состав	Структура	Значение
			в промышленности	в сельском хозяйстве и встречаемость в почвах
Группа интрузивных пород
Гранит мясо-красный, розовый, светло-серый (SiО2 65-75%)	Кварц, полевые шпаты (ортоклаз, микроклин), роговая обманка, слюды	Полнокристаллическая, равномернозернистая и порфировидная	Строительный и отделочный материал; в почвах, образовавшихся на моренах и пролювии
Сиенит (SiО2 52-65%)	Ортоклаз, микролин, роговая обманка, биотит	Тоже	Тоже
Габбро (Si02 40-52%)	Плагиоклазы (от лабрадора до анортита), оливин	Полнокристаллнческая, среднеравномернозернистая	– –
Группа эффузивных пород
Пемза	Из различных минералов, обогащенных кремнием	Пенистая, сильнозырчатая	Абразивный и строительный материал, в медицине, в быту	В почвах, образовавшихся на рухляке выветриванием вулканических пород
Вулканический туф	Тоже	Пузырчатая	Строительный и отде лочный материал	Тоже
Вулканическое стекло (обсидиан)	Кварц	Стекловатая	Художественные промыслы	Тоже
Липарит (эффузивный аналог гранита)	Кварц, полевые шпаты (ортоклаз, микроклин)	Порфировая	Строительный материал; в почвах, образовавшихся на моренах и пролювии
Трахит (эффузивный аналог сиенита)	Ортоклаз, микроклин, роговая обманка, биотит	Порфировая   тонкопузырчатого строения	Тоже
Базальт (эффузивный аналог габбро)	Плагиоклазы, авгит, оливин	Плотная, мелко- и скрытокристаллическая	Тоже

 

Осадочные горные породы

Так называются породы, образовавшиеся в результате осаждения или химических солевых минералов в водных бассейнах, или органического материала в виде остатков растений, или землистых масс из суспензии текучих вод и т.д.

Все осадочные горные породы относятся к вторичным образованиям. Особенно большая группа осадочных пород, представленная землистыми массами, образовалась в результате физического выветривания плотных магматических и метаморфических горных пород.

Неоднократного последующего физического разрушения (выветривания) и переотложения минеральной массы ветром, морем, реками, ледниками, ледниковыми, талыми и дождевыми водами.

Такие породы приобрели новые качества, отличающие их от массивных плотных пород. Они являются рыхлыми, воздухо- и водопроницаемыми. В связи с этим в них активно протекают реакции химического выветривания.

Рекомендуем прочитать: Солончаки

Они могут быть сыпучими (пески) или в сухом состоянии плотными, а в воде размокать (глины). Нередко в осадочных породах присутствуют остатки животных и растительных организмов.

В зависимости от состава, строения и сложения осадочных пород, с учетом процессов образования выделяют три их группы: обломочные, химические и органогенные (табл. 3).

В таблице приводится характеристика некоторых химических и органогенных осадочных пород, а также обломочных пород с определенным размером обломков минералов и смешанных, состоящих из обломков разного размера.

3. Классификация и характеристика некоторых осадочных горных пород

Название породы	Размер обломков, мм	Рыхлые окатанные формы	Сцементированные окатанные формы*	Рыхлые неокатанные формы	Сцементированные неокатанные формы*
Обломочные осадочные горные породы
Грубообломочные (псефиты)	> 200	Валуны	Конгломераты	Глыбы	Брекчии
	200—20	Галька	Тоже	Щебень	Тоже
	20—2	Гравий	Тоже	Дресва	Тоже
Песчаные (псаммиты)	2—0,05	Песчаные	Песчаники	Частицы	Песчаники
Пылеватые (алевриты)	0,05—0,005	Пылеватые	Алевролиты	Тоже	Алевролиты
Глинистые (пелиты)	< 0,005	Глинистые	Аргиллиты	Тоже	Аргиллиты
Смешанные (почвообразу ющие)	Каменистые: морены, гравийно-галечниковые отложения Некаменистые: флювиогляциальные пески и супеси, озерно-ледниковые отложения, покровные пылеватые или опесчаненные суглинки и глины, лёссовидные суглинки, лёссы

 

Продолжение

Название породы	Основной минералогический состав	Значение в сельском хозяйстве и промышленности
Химические осадочные горные породы (карбонатные, галоидные, сульфатные, кремнистые, железистые, фосфатные и аллитовые породы)
Известковые туфы (травертины)	Кальцит	Для известкования кислых почв
Калийные соли	Сильвин, карналлит, сильвинит	Калийные удобрения, химическая промышленность
Гипс	Гипс, ангидрит, глинные минералы	Для гипсования   щелочных почв; в различных областях народного хозяйства
Органогенные осадочные горные породы а) Негорючие породы (акаустобиолиты) — карбонатные, кремнистые
Известняки органогенные (ракушечные, коралловые, нуммулитовые, фузулиновые и др.; разновидность —мел)	Кальцит, глинные минералы	Для известкования кислых почв; в стекольной, цементной, бумажной, резиновой промышленности; в строительстве
Диатомиты, трепелы, опоки	Опал, халцедон, кварц, глинные минералы и др.	Тепло- и звукоизоляционный материал; в строительстве
б) Горючие породы (каустобиолиты) — углеродистые (твердые —торф, сапропель, ископаемые угли, горючие сланцы и др.; жидкие — нефть, газообразные — горючие газы)
* Природные типы цементов: кремнистый, карбонатный, железистый, битуминозный, глинистый, фосфоритовый (редко).

 

Осадочные обломочные смешанные породы имеют для почвоведения особое значение. Так как на них сформировались почвы, они называются почвообразующими или материнскими.

Большинство почвообразующих пород образовалось в последнее геологическое время — в четвертичный период, поэтому они называются четвертичными.

Более древние породы, залегающие под четвертичными, в почвоведении относят к коренным породам, но при выходе их на поверхность они тоже становятся почвообразующими.

Классификация, распространение и основная характеристика почвообразующих пород

На равнинных территориях России преобладают почвообразующие породы ледникового и водно-ледникового происхождения (табл. 4). Их образование связано с оледенениями суши в четвертичный период, которые неоднократно повторялись (Лихвинское, Днепровское и Валдайское оледенения).

4. Почвообразующие породы равнинных территорий России (осадочные обломочные смешанные породы)

Типы пород	Место образования	Основная характеристика пород
I. Отложения, образованные твердой массой льда, — морены (основная, конечная, донная, боковая)	На территориях, находившихся под воздействием твердых масс льда	Каменистые, содержащие валуны, опесчаненные, некарбонатные, суглинистые
П. Отложения ледниковыми водами
1. Озерно-ледниковые	В ледниковых озерах	Слоистые, некарбонатные, суглинистые и глинистые
2. Покровные породы:	На затапливаемых ледниковыми водами пониженных территориях; отложения покрывают более древние осадочные породы	Некарбонатные, различного гранулометрического состава
гравийно-галечниковые отложения	В местахдействия мощных потоков ледниковых вод	Каменистые, из окатанных обломков с небольшим включением песка и глины
флювиогляциальные пески	На обширных территориях, затапливаемых активными потоками ледниковых вод	Некарбонатные, песчаного и супесчаного гранулометрических составов
покровные красноватые и буроватые суглинки и глины	На обширных территориях, затапливаемых спокойными потоками ледниковых вод	Некарбонатные (редко с включением каменистой фракции), пылеватые, иногда опесчаненные
лёссовидные суглинки	На обширных территориях под влиянием водно-ледниковых потоков; приуроченные к более южным областям России	Карбонатные и некарбонатные, крупнолылеватые, желто-бурого цвета, иногда слоистые
лсссы *	Тоже	Карбонатные, крупнолылеватые, суглинистые, буровато-желтые
III. Озерные отложения	Во впадинах рельефа	Обычно слоистые, суглинистые и глинистые, иногда с органическими прослойками; может накапливаться СаСО3, а в засушливых областях — гипс и легкорастворимые соли
IV. Морские терригенные отложения	Минеральные отложения донные и на прибрежных морских территориях	Карбонатные и некарбонатные, засоленные и незаселенные, различного гранулометрического состава, часто слоистые
V. Эоловые (ветровые) отложения	Преобладают в полупустынных и пустынных областях	Некарбонатные, песчаные
* Теории происхождения лёссов: водно-ледниковая (П. И. Кропоткин, В. В.Докучаев), эоловая (П. И. Тутковский), делювиальная (А. П. Павлов).

Мощным центром оледенения был ледник Скандинавского полуострова, действию которого подверглась громадная территория Западной Европы и европейской части России.

Очаг оледенения находился также на о-ве Новая Земля и северной части Уральских гор и спускался до верховий реки Камы. Много мощных очагов оледенений отмечалось в горных областях Западной и Восточной Сибири.

Породы, отложенные в ледниковую эпоху, в послеледниковый (постгляциальный) период подвергались переотложению ветром, древними речными водными потоками, делювиальными (талыми и дождевыми) водами; наблюдались мерзлотные явления в породах и т. д.

Поэтому на значительных площадях породы потеряли свой первоначальный вид и представлены делювиально-солифлюкционными суглинками, криоэлювием, перигляциальным аллювием, эоловыми песчаными отложениями и другими породами.

Пересортировка делювиальными водами четвертичных отложений и коренных пород, находившихся на дневной поверхности, привела к отложению на нижних частях склонов массы более мелкоземистых минеральных обломков, называемых делювием.

Читайте также: Подзолистые почвы таежно-лесной зоны

На повышенных же элементах рельефа осталась более крупноземистая минеральная масса породы, получившая название элювий.

Осадочные обломочные породы, пересортированные и переотложенные речными (постоянно действующими) водными потоками, называются аллювием (аллювиальными отложениями).

Делювиальные водные потоки, действуя в горных областях, образуют пролювиальные отложения — пролювий, представляющий собой плохо отсортированные продукты физического выветривания плотных горных пород.

При перемещении обломочного материала вниз по склону под влиянием силы тяжести его скопления называются коллювием.

Метаморфические горные породы

Метаморфической породой может быть любая осадочная или магматическая порода, которая при погружении в зону метаморфических процессов земной коры претерпевает изменения состава и структуры и приобретает новые качества под влиянием высокого давления, температуры, циркулирующих растворов и газов (т. е. факторов метаморфизма).

Например, из глин образуются глинистые сланцы, из песчаников — кварциты, из известняков — мраморы, из гранитов — гранитогнейсы и т. д.

В целом в земной коре на долю магматических пород приходится около 95 %, а на осадочные — около 5 %. Если же рассматривать только гипергенную зону (включая гидросферу), то осадочных пород окажется около 70—75 %, а магматических — около 20—25 %.

Метаморфические породы в данный расчет не входят; они причислены к тем породам, из которых образовались.

Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличаются минералы от горных пород?
2. Почему в земной коре и в почвах преобладают минералы, содержащие кислород, кремний и алюминий?
3. Чем отличаются первичные минералы и горные породы от вторичных?
4. Что такое выветривание минералов и горных пород? Охарактеризуйте виды выветривания и к каким изменениям минералов и горных пород они приводят.
5. Дайте характеристику магматическим процессам образования минералов и горных пород,
6. Какие процессы образования минералов и горных пород совершаются в экзогенной зоне земной коры и в гидросфере? Расскажите об этих процессах с примерами.
7. Назовите процессы изменений минералов и горных пород в зоне метаморфизма.
8. Какие минералы относятся к глинным и какое влияние они оказывают на свойства почв?
9. Какие породы являются почвообразующими? Охарактеризуйте эти породы.
10. На каком принципе построена классификация минералов и горных пород?