Образование почвы. основы общей экологии

Номинал

Производство латеритного кирпича в Индии

Термин латерит приписывается Фрэнсису Бьюкенен-Гамильтону (1807 г.) для описания глиняного материала, используемого в строительстве, добываемого в горных районах Малабара в Индии. Этот материал имеет вид ожелезненных отложений, расположенных неглубоко в земле. В свежем виде его можно легко разрезать на обычные блоки с помощью острого инструмента. На воздухе он быстро затвердевает и становится чрезвычайно устойчивым к воздействию метеорологических агентов. Это приводит к его использованию в качестве строительного материала, сопоставимого с кирпичом. На местных диалектах эти образования называются «земля на кирпич», «латерит» — это всего лишь латинский перевод, позже означающий кирпич. Ржавые латериты в основном состоят из каолинита и оксида железа ( гетита и гематита ), которые могут светлеть или темнеть в зависимости от окружающей среды. Однако этот термин очень быстро должен охватывать разрозненные понятия, которые отныне требуют говорить о латеритах, а не о латеритах. Латеритный памятник, установленный Геологической службой Индии в Керале, свидетельствует об открытии Гамильтона.

Образование почвы

Мы не придаем значения грязи, которую месим ногами, а между тем жизненно необходимый обмен минеральными веществами между биосферой и неорганическим миром происходит именно в почве. Растения получают воду и питательные вещества из почвы. Листья и ветки, отмирая, возвращаются в почву, где они разлагаются, освобождая содержащиеся в них минеральные вещества. В поверхностных слоях почвы, куда поступает самое свежее мертвое органическое вещество, обитает множество организмов-разрушителей — огромное количество бактерий и грибов, мельчайшие членистоногие и черви, термиты и многоножки. Их активность обеспечивает развитие почвы сверху, тогда как физическое и химическое разрушение коренной породы способствует образованию почвы снизу.

Образовавшаяся почва продолжает оставаться в динамическом ‘Состоянии. Одни минералы вымываются из нее грунтовыми водами; другие сдуваются ветром в виде пыли или же высвобождаются в результате разрушения подстилающей материнской породы. Несмотря на эти постоянно происходящие в почве процессы, в большинстве областей почва приобретает характерные стабильные свойства. Свойства почвы в разных районах земного шара сильно варьируют, что оказывает влияние на распространение различных типов растительности. Различия в свойствах почвы определяются главным образом пятью факторами: климатом, материнской (коренной) породой, растительностью, рельефом местности и до некоторой степени возрастом. В общем разрушение и выветривание породы и поступление в почву органического материала происходят быстрее в теплом влажном климате. А, следовательно, влияние материнской породы на структуру и состав почвы уменьшается с увеличением количества осадков, температуры и возраста.

В засушливых областях осадки настолько скудны, что химическое выветривание горной породы происходит медленно, а продуктивность растений настолько низкая, что количество поступающего в почву органического детрита очень мало. Мощность почвенного слоя в засушливых областях обычно невелика; коренная порода залегает близко к поверхности. Такие почвы часто называют лито солями (от греч. «литое» — камень) вследствие их тесной связи с подстилающей коренной породой (рис. 4.1). Выветривание может проникать в глубину не более чем на 30 см; литосоль иногда имеет еще меньшую мощность или даже отсутствует вовсе, если материнская порода и органический детрит удаляются с такой же скоростью, с какой они образуются. Поверхности скал и валунов в верхних участках приливной зоны на морском побережье — крайние примеры мест, где эрозия (выдувание, смыв) препятствует образованию почвы. Почвы другого типа — аллювиальные почвы — не выветриваются, так как паводок ежегодно создает новые слои наносов. И напротив, наибольшая степень выветривания наблюдается в некоторых влажных тропических областях, где химические изменения материнской породы могут проникать на глубину до 6 м. В умеренном поясе средняя мощность почвенного слоя около 1 м.

Рис. 4.1. Профиль лито соля из округа Логан (штат Канзас), иллюстрирующий малую мощность почвенного слоя и слабое развитие горизонтов.

Обучение

Латерит может образовываться из любого типа породы, но только в том случае, если климат жаркий и влажный в течение длительного периода. Однако типов латеритов образуется столько же, сколько и оригинальных пород. Во время выветривания исчезают наиболее нестабильные основные минералы (например, полевой шпат ), а более растворимые ионы уходят в раствор. Остальные остаются на месте, образуя новые скалы.

Выветрившиеся минералы

Строительный кирпич из латерита (Индия, масштаб 1 см ). Термин «латерит» происходит от латинского позже « кирпич».

Основные измененные минералы — силикаты, кварц (кремнезем) и карбонаты:

В nesosilicates и inosilicates ферромагнезиальный: оливин , перидот , пироксен , амфибол . Они выделяют ионы Fe , Mg , Ca и способствуют образованию оксигидроксидов .
В слюды : они высвобождают ионы K и Fe . В биотит и мусковит дают глаукониты , превращаясь в иллитом затем монтмориллонит деградации.
В каркасные силикаты : полевые шпаты , что приводит к образованию новой глины во влажном теплом климате, или просто выпускать растворимые продукты и аморфными в холодном климате умеренного.
Кварц : известен своей очень высокой устойчивость к атмосферным воздействиям, она может быть найдена с выщелачиванием скоростью до 20% в тропическом климате. В этих условиях кремнезем намного более растворим и подвижен, чем оксиды железа и алюминия, и поэтому предпочтительно выщелачивается.
В карбонаты : кальцит , доломит , которые высвобождают ионы бикарбоната (HCO ₃— ) и примеси глины депозита они могут содержать.

Образованные минералы

Изменение горных пород при возникновении латеритных почв приводит к созданию комплексов изменений двух форм:

в филосиликатах : в глинах (типы глин , сформированных в зависимости от скорости выщелачивания страдали от породы)
гидроксиды железа ( лимонит , гетит и др.) и алюминия ( гиббсит и др.). Таким образом, боксит является основной рудой, обеспечивающей алюминий.

Географическое распространение

Ив Тарди из Национального политехнического института Тулузы и Национального центра научных исследований подсчитал, что латериты покрывают около трети континентальной поверхности суши. Латеритные почвы являются недрами экваториальных тропических лесов, саванн влажных тропических регионов и степей Сахеля . Латериты покрывают большую часть земли между тропиками Рака и Козерога , области на этих широтах, которые не покрыты латеритом, включают западную часть Южной Америки , юго-западную часть Африки, пустынные районы Северной и Центральной Африки , Аравийский полуостров и внутренние районы Австралии . . ]

Одни из древнейших и наиболее сильно деформированных ультраосновных пород , подвергшихся латеризации, обнаружены в сложных докембрийских щитах Бразилии и Австралии . Небольшие сильно деформированные интрузивные образования альпийского типа сформировали латеритные профили в Гватемале , Колумбии , Центральной Европе , Индии и Бирме . Латеризации подверглись фрагменты островных дуг в крупных мезозойско-кайнозойских надвигах (возраст 251—65 млн лет) и коллизионные зоны в целом в Новой Каледонии , Кубе , Индонезии , на Филиппинских островах . Латериты отражают древние атмосферные условия, поэтому латериты, обнаруженные сегодня в регионах за пределами внутритропической зоны , являются продуктами древних геологических времен, когда эта область находилась недалеко от экватора. Сегодня латерит, лежащий за пределами влажных тропиков, считается индикатором изменения климата, дрейфа континентов или их комбинации. [ нужна ссылка ]

Латеритные шапки толстые в стабильных районах западной части Эфиопского щита , в кратонах в Южной Америке и на Австралийском щите. На центральных индийских плато латерит достигает мощности 30 м. Латериты могут быть мягкими и легко разламываться на более мелкие кусочки или твердыми и прочными. Породы фундамента в латеритных зонах погребены под мощным слоем выветренного материала и редко выходят на поверхность. Латеритные почвы обычно составляют самую верхнюю часть латеритного покрова.

Образование латерита

Разрез железистой латеритной палеопочвы верхнего мела в фациях Утриллас, близ Сеговии (Испания) .

Тропическое выветривание (латеризация) представляет собой длительный процесс химического выветривания, при котором образующиеся почвы и реголиты различаются по толщине, химическому составу и минералогии. Первоначальными продуктами выветривания являются , по существу , каолинизированные породы , называемые сапролитами . Период латерализации простирался примерно с середины третичного периода до середины четвертичного (от 35 до 1,5 миллионов лет назад). Статистический анализ показывает, что переход средних уровней и дисперсии 18 O в середине плейстоцена был резким. Это резкое изменение было глобальным и в основном представляет собой увеличение массы льда, совпадающее почти одновременно с внезапным снижением температуры поверхности океана. Эти два изменения указывают на внезапное глобальное похолодание. Скорость латерализации должна была уменьшиться с резким охлаждением земли. Выветривание в тропическом климате продолжается и по сей день с меньшей скоростью. ]

Латериты образуются при выщелачивании материнских пород, которые могут быть осадочными , метаморфическими ; магматические или протоорийские . Это выщелачивание оставляет в остатке наиболее нерастворимые ионы , которые преимущественно представляют собой железо и алюминий . Механизм выщелачивания состоит из следующих стадий: 1) кислоты растворяют кристаллическую структуру данного минерала из исходного материала, 2) за этим следует гидролиз и осаждение нерастворимых оксидов и сульфатов железа, алюминия и кремнезема. Все это в условиях высоких температур влажного субтропического муссонного климата. Существенной особенностью образования латерита является повторение влажного и сухого сезонов. Камни вымываются дождевой водой, просачивающейся в сезон дождей; полученный раствор, содержащий выщелоченные ионы, выносится на поверхность за счет капиллярного действия в сухой сезон. Эти ионы образуют соли , которые высыхают на поверхности. Эти соли смываются во время следующего сезона дождей. Образование латерита предпочтительнее в областях ослабленного рельефа, таких как пологие хребты и плато, которые предотвращают эрозию поверхностного материала. : 4 Во время образования латеритов существует реакционная зона, где породы находятся в контакте с водой, которая колеблется от самого низкого до самого высокого уровня, в котором колеблется уровень грунтовых вод . Эта реакционная зона постепенно истощается легко вымываемыми ионами натрия , калия , кальция и магния . Раствор с этими ионами может иметь правильный pH для предпочтительного растворения оксида кремния, а не оксидов алюминия и оксидов железа. ]

Минералогический и химический составы латеритов зависят от материнских пород. Латериты состоят в основном из кварца , циркона и оксидов титана , железа, олова , алюминия и марганца , которые остаются в ходе выветривания. Кварц является наиболее распространенным остаточным минералом материнских пород. Состав латерита значительно варьируется в зависимости от его местоположения, климата и глубины. Основными минералами , содержащими никель и кобальт , могут быть оксиды железа , глинистые минералы или оксиды марганца . Оксиды железа получают из основных магматических пород и других богатых железом пород; Бокситы образуются из гранитных магматических пород и других бедных железом пород. Латериты никеля встречаются в районах земли, где ультраосновные породы (содержащие ферромагнийсодержащие минералы, такие как оливин, пироксен и амфибол) подвергались выветриванию в условиях тропического климата в течение длительных периодов времени. ]

Ссылки

↑ , Эдгар. 1913. . Издательство Кембриджского университета . Отзыв написан 6 апреля 2010 г. : 65
^ Тейлор, Г. и Эгглтон, Р.А. 2001. Геология и геоморфология реголита , стр. 248-249.
↑
^ : 1-2–5-7
: 554
^ : 3
↑
↑
↑ Э. (2003-04 . Передовые исследования эволюции Земли 2 : 3 . Проверено 17 апреля 2010 г.

Библиография

Алева, GJJ (компилятор) (1994): Laterites. Понятия, геология, морфология и химия .169 стр. ISRIC, Вагенинген, Нидерланды, ISBN 90-6672-053-0

Бардосси, Г. и Алева, GJJ (1990): Латеритные бокситы . 624 страницы Развитие экономической геологии 27, ELSEVIER, ISBN 0-444-98811-4

Голайтли, Дж. П. (1981): Месторождения никелевого латерита . Экономическая геология 75, 710-735

Шеллманн, В. (1983): Геохимические принципы образования латеритных никелевых руд. Материалы 2-го Международного семинара по процессам латеритизации , Сан-Паулу, 119–135.

Различные латеритные профили

Снаряды

Панцирь — это часть измененного профиля, расположенная чуть ниже нагрудника, составляющая зону прелюдии к доспеху. Панцирь представляет собой пятнистое образование. Светлые участки богаче кварцем, а пятна покраснения обусловлены каолинитом. Фон матрицы может быть желтым, розовым или даже красным. По мере продвижения вверх по профилю выветривания пятна клубятся и образуют железистые конкременты.

Нагрудники

Никелисодержащий лимонит под латеритным панцирем. Яте , Новая Каледония (на ультраосновных недрах )

Верхняя часть профиля очень обогащена железом (до 75% Fe ₂ O ₃ ) и очень тверда. Переход между панцирем и кирасой осуществляется за счет увеличения количества и размера конкреций, инкрустации железом на стенах, а также уменьшения пустых объемов и глинистых пляжей из гетита. Цвет фона матрицы становится красным из-за концентрации железа.

Нагрудники, непосредственно подверженные эрозии, могут выйти из строя. Эта деградация отмечена увеличением размера пустот и заметной индивидуализацией конкреций. Деградация узелков дает:

Гранулы: путем избирательного растворения гематита.
Пизолиты: деградация за счет гидратации
Сколы: разделение фона матрицы

Грунтовые воды

Минеральным составом коренной породы определяется не только содержание в почве глины, но также размеры и обилие песчаных и глинистых частиц, совместно образующих механический состав почвы. Механические элементы почвы инертны в химическом отношении, но оказывают влияние на структурное состояние почвы и ее водопроницаемость.

Вода обладает высокой вязкостью. Способность молекул воды довольно прочно связываться друг с другом и с поверхностями, с которыми они соприкасаются, лежит в основе хорошо известных явлений поверхностного натяжения и способности воды подниматься в капиллярах против силы тяжести. Вода прочно сцепляется с поверхностями механических элементов почвы. Поскольку суммарная площадь поверхности почвенных частиц возрастает с уменьшением их размера, глинистые почвы содержит больше воды, чем крупный песок (гравий), сквозь который вода быстро просачивается.

Влагоемкость почвы неравнозначна доступности воды. Корни растений легко поглощают воду, которая рыхло связана с частицами почвы под действием поверхностного натяжения, однако вода, находящаяся вблизи поверхности песчаных и глинистых частиц, связана с части- щами почвы более прочно. Ботаники измеряют силу, с которой клетки корневых волосков поглощают воду из почвы, в единицах, эквивалентных единицам атмосферного давления. Капиллярное давление удерживает воду в почве с силой, эквивалентной 7з атм. Вода, удерживаемая частицами почвы силой менее (эта вода находится в середине •больших промежутков между почвенными частицами, а, следовательно, на большом расстоянии от их поверхностей), просачивается сквозь почву под давлением силы тяжести в грунтовые воды, заполняющие расщелины в подлежащей коренной породе. Количество воды, удерживаемой в почве силами притяжения против силы тяжести, называется полевой влагоемкостью.

Силы, эквивалентной атм, достаточно для того, чтобы поднять столб воды примерно на 3 м над водной поверхностью. Известно, что корни растений могут развивать значительно большую сосущую силу, потому что в самых высоких деревьях вода, чтобы дойти от корней до листьев, поднимается более чем на 100 м. Сосущая сила в исключительных случаях достигает 15 атм, так как вода, удерживаемая в почве с силой менее 15 атм, может поглощаться корнями. Вода, плотно облегающая поверхность почвенных частиц, удерживается силами притяжения, нередко превышающими 30 атм. Вода, удерживаемая в почве силами более 15 атм, недоступна растениям и называется влажностью завядения. После того как растения в условиях засухи извлекли из почвы всю воду, удерживаемую в ней силами менее 15 атм, они больше не могут получить воды и завядают, несмотря на то что вода в почве еще имеется.

В почвах, состоящих из мелких частиц, суммарная площадь поверхности механических элементов относительно велика и соответственно большая доля почвенной влаги удерживается силами, превышающими 15 атм. Если же почвенные частицы крупнее, то суммарная площадь их поверхности меньше, а промежутки между частицами больше. Доля

рыхло связанной воды в этих почвах также больше, но зато их влагоемкость ниже. Вода наиболее доступна растениям в тех почвах, частицы которых по величине занимают промежуточное положение между песчаными и глинистыми частицами (рис. 4.6). Такие почвы называются суглинистыми.

Кальцификация

В засушливых областях, где потери влаги за счет испарения превышают количество осадков, не вся вода просачивается сквозь почву. Минеральные вещества, например, кальций, содержащиеся в растворенном виде в самых верхних слоях почвенного профиля, нередко при испарении из почвы воды вновь отлагаются в этих же самых слоях или же переносятся вниз, до нижней границы проникновения воды. Результаты этого процесса, называемого кальцификацией, видны на почвенном профиле, представленном на рис. 4.2, а, где на глубине примерно 60 см от поверхности почвы можно различить узкую диффузную полосу переотложенный карбоната кальция (светлая полоса). Этот горизонт представляет собой нижнюю границу проникновения воды; непосредственно под ней лежит относительно невыветрелая материнская порода.

Присутствие грунтовых вод вблизи поверхности сильно изменяет почвенные профили в засушливых областях. Минеральные вещества, растворенные в грунтовой воде, подтягиваются к поверхности в результате испарения и водоподъемной способности почвы, т. е. ее способности поднимать капиллярную воду. Вода испаряется, а на поверхности остаются минеральные вещества, иногда образующие толстую кору, так называемую калине (рис. 4.8). Отложения калия, имеющие сильнощелочную реакцию, подавляют рост растений.

В пустынных бассейнах, где грунтовые воды находятся достаточно близко от поверхности, так что могут подтягиваться вверх под действием испарения, отложения калия образуют «сухие озера», которые широко распространены в пустыне Мохаве и в районе Большого Бассейна на западе США. В таких местностях вода прудов и озер так насыщена растворенными минеральными веществами, что непригодна для питья. (Перед многими первопроходцами, которым пришлось пересекать пустыню, вставал трудный выбор: погибнуть от жажды или от алкалоза.)

Рис. 4.8. Участок солонцеватой почвы, лишенный растительности, в округе Чуто (штат Монтана), где в результате подъема грунтовых вод образовалась кора из карбоната кальция.

Орошение может превратить пустыню в цветущий край. Сухие почвы при орошении становятся очень плодородными вследствие высокого содержания минеральных ионов в верхних слоях их профиля. Однако богатые урожаи удается снимать недолго, так как орошение приводит к ускоренной кальцификацией почвы. Для орошения обычно используют воду из рек, которая в засушливых областях содержит очень много растворенных минеральных веществ.

Полезность латеритов

Стена из латерита (слева) в Ангкор-Вате.

Строительство

Латериты используются для изготовления кирпичей ( позже на латыни означает кирпич), используемых в тропических странах в качестве мостовых и для строительства. Большое количество средневековых храмов Ангкора построены из латерита, а затем покрыты песчаником.

Руды

Присутствие оксида алюминия Al ₂ O ₃ в связи с некоторыми латеритах называется бокситов основной руды из алюминия . Действительно, во время интенсивного выветривания в тропическом климате, если кремнезем и большая часть катионов выщелачиваются, плохо растворимые и малоподвижные катионы Fe 3+ и Al 3+ остаются на месте и концентрируются в пригодных для использования металлоносных месторождениях .

Процесс выветривания и почвообразование

Теории развития латеритов

Различные теории могут объяснить развитие латеритных почв:

Остатки : латериты будут развиваться на здоровой основе после очень длительного периода выветривания и воздействия засушливого климата. Такое развитие потребует очень большого количества породы, чтобы произвести достаточно остаточного железа в форме оксидов, таких как гематит или гетит. Эта теория является наиболее общепризнанной.
Почвенный горизонт : эта теория состоит из прямых осадков над зоной колебаний уровня грунтовых вод. Однако в случае очень толстых латеритов такой теории не существует.
Депозит : осадок железа и алюминия из ионов в растворе. Это было бы справедливо для латеритов, которые брекчированы или составлены из пизолитических агрегатов , но не могло бы объяснить случай массивных латеритов.
На скатерти влияет состояние поверхности : латериты образуются в результате изменения коренной породы, из-за кислой воды, поступающей с болот, или из-за обогащения органических кислот под действием растений.

Истина будет сочетанием этих теорий, каждая из которых играет более или менее важную роль.

Процесс формирования комплексов выветривания

Существуют различные теории о малоизученном развитии комплексов выветривания:

Наследование : это было бы простое деление элементов на части без химического превращения.
Незначительное химическое превращение : минералы потеряли бы некоторые мобильные ионы, сохраняя при этом их структуру, например слюду — глины переход
Новообразование : ионы будут потеряны минералами, а также их структура. Остальные элементы перекристаллизовались бы «на месте».

Геохимические изменения

Химический механизм, участвующий в выветривании здоровых пород с образованием латеритов, — это полный гидролиз . Реакция вызывает разрушение всех первичных минералов и высвобождение их составляющих, устранение основных катионов и части Si , а также перевод в нерастворимую форму и относительное накопление оксигидроксидов Al и Fe. Эта реакция влияет на местное значение pH и местный дренаж, так как а также время выдержки.

Выветривание

Разрушению породы, лежащей в основании почвенного горизонта или же на недавно обнажившейся поверхности, способствуют как физические, так и химические факторы. Многократное замерзание и оттаивание воды в трещинах размельчают горную породу; при этом создаются новые обнаженные поверхности, доступные действию химических факторов. Химическое изменение горной породы начинается с того, что вода вымывает некоторые из наиболее хорошо растворимых минеральных веществ, в частности натрий (Na+) и кальций (Са2+) и связанные с ними хлорид (С1~). Другие минералы, в частности окиси титана, алюминия, железа и кремния, при большинстве условий устойчивы к вымыванию.

Некоторые основные процессы, происходящие при образовании почвы, можно рассмотреть на примере выветривания гранита. Гранит — магматическая, или изверженная, порода, образовавшаяся в результате извивания менее плотного расплавленного материала на земную поверхность, его охлаждения и кристаллизации. Гранит состоит главным образом из трех первичных минералов: полевого шпата, слюды и кварца. Полевой шпат, в состав которого входят окиси калия, алюминия и кремния быстро выветривается вследствие удаления калия (К) в виде карбоната калия (К2СО3), образующегося при наличии угольной кислоты (Н2С03); угольная кислота образуется в результате растворения двуокиси углерода и всегда содержится в дождевой воде. Продукты разложения полевого шпата, взаимодействуя с водой, образуют каолинит (Al203-2Si02-2H20) —один из видов глины. Глины как некий класс соединений выполняют в почве чрезвычайно важную функцию — они служат тем местом, где происходит ионный обмен между почвой и растениями. В дальнейшем мы рассмотрим роль частиц глины более подробно.

Вкрапления слюды в граните состоят из окисей калия, магния {Mg), железа (Fe), алюминия (А1) и кремния (Si). При выветривании гранита калий и магний быстро удаляются, а остающиеся окиси железа, алюминия и кремния образуют частицы глины. Кварц — одна из форм двуокиси кремния (Si02) —нерастворим в подкисленной воде и поэтому остается в почве в более или менее неизмененной форме — в виде песчаных зерен. Изменения, происходящие в химическом составе гранита при его выветривании и превращении в почву, схематически показаны на рис. 4.3. Кальций, магний, натрий и калий быстро исчезают, тогда как окиси алюминия остаются.

Удаление минеральных веществ из выветрелой гранитной породы сильно варьирует в зависимости от климата. Например, в трех местностях (штат Массачусетс, штат Виргиния и Гайана), в каждой из которых температура и количество осадков выше, чем в предыдущей,

соответственно возрастают потери общего объема исходной породы и отдельных минералов, в частности калия и двуокиси кремния (рис. 4.4).

Разрушение гранита служит примером, иллюстрирующим некоторые из главных химических процессов, оказывающих воздействие на образование почвы, однако выветривание может происходить по-разному в зависимости от типа коренной породы. Чистый кварцевый песок (двуокись кремния) и чистый известняк (карбонат кальция) не могут образовать глину, потому что они не содержат окисей алюминия и железа; соответственно, если в коренной породе нет примесей других минералов, почвообразование происходит медленно. Состав коренной материнской породы и ее первичное выветривание определяют относительное содержание глины и песка в происходящих от нее почвах. А это в свою очередь определяет наличие в почве минеральных ионов и ее способность удерживать воду.