книги / Химия окружающей среды

Таблица 10.1

Породообразующие минералы земной коры (до глубины 16 км, по Г. Шуману, 1957) [61]

		Главные	Содержание	Наиболее типичные
	породообразующие		в земной коре,
				минералы групп
		минералы	мас.%
	1.	Полевые шпаты	60	Ортоклаз – K[AlSi3O8]
	и фельдшпатоиды			Альбит – Na[AlSi3O8]
				Анортит – Ca[AlSi3O8]
			–	Лейцит – K[AlSi2O8]
				Нефелин – K[AlSiO4]
	2.	Пироксены	16	Авгит– Ca(Mg, Fe)[Si2O6]
	и амфиболы
	3.	Кварц	12	Кварц – SiO2
	4.	Слюды	4	Биотит – K(Mg, Fe)3(OH, F)2
				[Al, Fe)Si3O10]
				Мусковит–
				KAl2(OH)2[AlSi3O10]
	5.	Прочие минералы	8	–

Верхний слой земной коры (до глубины 16 км) на 95 % сложен из магматических пород. Осадочные породы составляют лишь 1 % от массы этого слоя земной коры, метаморфические породы – 4 %.

10.1. Магматические породы

Магматические породы образуются из жидкого расплавленного вещества, находящегося в недрах Земли и называемого магмой. Магма – сложный раствор-расплав силикатного состава. В нем преобладают те же главные элементы, что и в земной коре. Когда магма в процессе извержения не достигает земной поверхности и медленно застывает на глубинах нескольких десятков километров, образуются крупнокристаллические структуры интрузивных пород. Главные

231

представители интрузивных пород – гранит, диорит, габбро, перидотит. Их плотность в этом ряду возрастает, а содержание диоксида кремния убывает. Классификация магматических пород приведена в табл. 10.2.

						Таблица 10.2
	Классификация магматических пород [61]
	Группа пород		Минералогиче-		Интрузивные	Эффузивные
			ский состав		породы	породы
	Кислые		Полевой	шпат,	Гранит	Лапарит,
	SiO2 > 65 %		кварц, слюда, ро-			кварцевый
			говая обманка			порфир
						Трахит,	анде-
	Средние		Полевые	шпаты,	Диорит, си-
	52 % < SiO2	< 65 %	роговая обманка,		кенит	зит
			биотит, авгит
	Основные		Полевой	шпат,	Габбро, лаб-	Базальт,	диа-
	40 % < SiO2	< 52 %	лабрадор,	авгит,	радорит	баз
			оливин
	Ультраосновные		Авгит,	оливин,	Пироксенит,	Кимберлит,
	SiO2 < 40 %		пироксены		дунит, пери-	пикрит
					дотит

В связи с высоким содержанием диоксида кремния (кремниевой кислоты) граниты относят к кислым породам, диорит – к средним, габбро – к основным, а перидотит – к ультраосновным (см. табл. 10.2). Эффузивные магматические породы образуются, когда огненно-жидкая магма достигает земной поверхности. По минералогическому составу эти породы сходны с интрузивными (см. табл. 10.2), так как обе группы пород образуются из одних и тех же магм. Существенное различие этих пород заключается в их структуре.

Процесс застывания магмы на поверхности Земли протекает намного быстрее, чем в ее глубинах, поэтому эффузивные породы состоят из мелких кристаллов микроскопических размеров. В некоторых случаях магма застывала так

232

быстро, что кристаллы вообще не успевали появляться и вся масса породы оказывалась аморфной, стекловидной. Эти по-

роды называют вулканическими стеклами.

10.2. Осадочные породы

Осадочные породы имеют вторичное происхождение. Они всегда образуются на поверхности Земли из продуктов предварительного разрушения пород. По составу и происхождению осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные и биогенные.

Обломочные горные породы — это продукты механиче-

ского разрушения коренных, исходных пород. В зависимости от крупности зерен, независимо от их минерального состава, формы и происхождения, обломочные горные породы делят на глины (размер частиц менее 0,02 мм), песок (0,02–2,0 мм), гравий, гальку, щебень (2,0–200 мм), глыбы, валуны (размер более 200 мм).

Глинистые породы в минералогическом отношении резко отличаются от крупных обломочных пород. Их главными представителями являются каолин, глина, суглинок, мергель, сланцевая глина и лесс. За исключением лесса все они образуются путем осаждения из воды в процессе разрушения горных пород. Их характерной особенностью является способность удерживать воду в многочисленных тончайших порах. Поэтому глины обладают низкой водопроницаемостью для грунтовых вод и образуют водоупорные слои.

Хемогенные породы образуются из естественных растворов в процессе осаждения находящихся в них соединений в результате выпаривания. Породы этой группы чаще всего классифицируют по химическому составу. К ним относятся: каменная соль(NaCl), ангидрит (CaSO4), гипс (СaSO4 · 2H2O), известняки (CaCO3) и др.

Биогенные горные породы формируются в результате жизнедеятельности живых организмов. Они представляют

233

собой либо продукты, образующиеся при жизни животных

ирастений, либо их неразложившиеся остатки. По химическому составу породы делят на карбонатные, кремнистые

ифосфатные.

10.3. Метаморфические горные породы

Метаморфаты, или метаморфические породы, обра-

зуются путем преобразования (метаморфизма) магматических или осадочных горных пород. Эти преобразования совершаются под воздействием высоких давлений и температур в недрах земной коры, причем вся масса породы сохраняет твердое агрегатное состояние.

Различают метаморфизм двух типов: контактный, вызванный внедрением магматических масс друг в друга, и региональный, обусловленный давлением выше лежащих мощных толщ горных пород и тепловыми потоками из глубины Земли. Как контактный, так и региональный метаморфизмы проявляются в преобразовании структуры пород, их перекристаллизации без изменения химического состава. К наиболее распространенным метаморфическим породам относятся сланцы, гнейсы, кварциты, мрамор.

Примеры решения задач (минералы и горные породы) [16]

ПРИМЕР 10.1. Глинистые и песчаные почвы имеют удельную поверхность 70 и 7 м2/г абс. сухой почвы соответственно. При условии, что воздушно-сухая почва адсорбирует воду только поверхностью однородного слоя толщиной 1 нм, вычислите содержание воды в каждой почве.

Решение. Рассмотрим случай почвы с удельной поверхностью Sуд = 70 м2/г. Согласно условию задачи вода в 1 г почвы равномерно адсорбирована на поверхности 70 м2 с толщиной слоя h = 1 нм = 10–9 м. Определим объем, который занимает вода в 1 г почвы этого образца:

234

V = Sуд h,

V = 70 · 1 · 10–9 = 7 · 10–8 (м3/г).

Содержание воды М в 1 г образца определяется следующей формулой:

М = ρV,

где ρ – плотность воды.

Табличное значение плотности воды при стандартных условиях составляет 103 кг/м3 = 106 г/м3. Таким образом, содержание воды в 1 г воздушно-сухой почвы

M= 106 · 7· 10–8 = 7· 10–2 (H2O/почвы).

Процентное содержание воды в почве есть отношение содержания воды в 1 г почвы к массе навески (mн = 1 г):

W = (M/mн) · 100 (%);

W = (7 · 10–2/1) · 100 = 7 (%).

Таким образом, содержание и процентное содержание воды в образце почвы с удельной поверхностью 70 м2/г составляет соответственно 7·10–2 г H2O/г почвы и 7 %.

Аналогичным образом рассчитываются содержание и процентное содержание воды для почвы с удельной поверхностью 7 м2/г. После соответствующих вычислений получаем: 7·10–3 г H2O/г почвы и 0,7 % соответственно.

Ответ: содержание воды равно 70 и 7 мг/г абс. сухой почвы (глинистой и песчаной соответственно), или 7 и 0,7 %.

Глава 11 ГИПЕРГЕНЕЗ И ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ

Процесс разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли обычно называют выветриванием, хотя ветер к этому почти никакого отношения не имеет. А.Е. Ферсман в 1922 г. предложил другое название этого процесса –

235

гипергенез – от древнегреческих слов «гипер» (сверх) и «генезис» (происхождение) [62].

V = Sуд · h,	(11.1)
V = 70 · 1 · 10–9 = 7 · 10–8 (м3/г).	(11.2)

Внастоящее время под выветриванием, или гипергене-

зом, понимают сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на поверхности суши под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и жизнедеятельности организмов. Сущность этих процессов заключается в перегруппировке атомов и образовании новых, устойчивых к условиям земной поверхности соединений.

Различают два типа выветривания: физическое, или механическое, и химическое.

Физическое выветривание приводит к чисто механиче-

скому разрушению пород. Частые изменения температуры, морозное выветривание с образованием морозостойких трещин и солевое растрескивание пород (возникновение трещин под давлением кристаллов образующихся солей) обусловливают разрыхление структуры и распад пород на минеральные зерна.

Химическое выветривание – разрыхление коренных по-

род под действием кислорода воздуха, диоксида углерода, воды, органических кислот, сопровождающееся изменением их состава [62] .

Часто выделяют еще третий тип выветривания – биологическое (или органогенное). Но этот процесс связан либо

сфизическим действием (например, давлением корней растений), либо с химическим воздействием (например, воздействием органических кислот, выделяемых корнями растений).

Взависимости от климатической зоны, времени года и местных условий процессы выветривания различных типов протекают с различной интенсивностью.

236

Все магматические минералы, попадая на поверхность Земли, оказываются в неустойчивом состоянии. Наименее устойчивы силикаты, структуру которых образуют изолированные кремнекислородные тетраэдры, соединяющиеся катионами железа и магния. Из них более устойчивы силикаты с одинарными цепочками кремнекислородных тетраэдров (пироксены), затем – с двойными цепочками (роговые обманки), далее – с листовыми структурами (слюды). Железомагниевые слюды (биотиты) менее устойчивы, чем алюминиевые (мусковиты). Устойчивость полевых шпатов, обладающих каркасной структурой, зависит от размера катиона (Са2+, К+, Nа+). Устойчивость плагиоклазов постепенно возрастает при переходе от кальциевого представителя к натриевому. Наиболее устойчив кварц, структура которого полностью состоит из кремнекислородных тетраэдров. В целом устойчивость главных породообразующих минералов магматических пород возрастает симбатно с последовательностью их кристаллизации [57]. В процессе гипергенеза наблюдается значительное изменение в структурах силикатных пород, происходит образование глинистых минералов. Так, например, в процессе разрушения полевого шпата (ортоклаза) может образоваться глинистый минерал каолинит:

4K[AlSi3O8] + 4H2O + 2CO2 =
= 2K2CO3 + 8SO2 Al4(OH)8[Si4O10].	(11.3)

Элементарная ячейка каолинита несимметрична: один слой состоит из кремнекислородных тетраэдров, другой – из сочетания ионов OH– и Al3+. Каждый ион Al3+ связан с 4 ионами ОН– и двумя атомами кислорода. Координационное число алюминия в этом соединении равно 6. Как видно из рис. 3.2, а, одна поверхность пакета образована атомами кислорода. Между пакетами образуется довольно прочная водородная связь, поэтому каолинит не набухает, и его межплоскостное расстояние стабильно.

237

В другом распространенном глинистом минерале – монтмориллоните – плоские пакеты трехслойны. Верхний слой, так же как и нижний, представлен слоями кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются ионы OH– и Al3+. Формула монтмориллонита (Al2, Mg3,)(OH)2 [Si4O10·nH2O]. В отличие от каолинита пакет монтмориллонита построен симметрично. Между слоями кислородных атомов не возникает водородной связи. Взаимодействие между пакетами слабое, и в межпакетные промежутки легко проникает вода, вызывая набухание, при этом объем монтмориллонита увеличивается в 1,5–2,5 раза. Необходимо отметить, что в монтмориллоните, так же как и в каолините, координационное число алюминия равно 6. В то же время в наиболее распространенных глубинных минералах и горных породах основное количество ионов Al3+ окружено лишь четырьмя ионами кислорода. Энергия связи А1–О в окружении четырех ионов кислорода приблизительно равна 6700 кДж/моль. При увеличении координационного числа Al3+ до шести энергия связи А1–O возрастает до 7500 кДж/моль. Таким образом, глинистые минералы являются своеобразным аккумулятором солнечной энергии – основного энергетического источника процессов гипергенеза. Процессы выветривания горных пород происходят и происходили на Земле и до появления живых организмов. В то же время дальнейшее преобразование горных пород, связанное с возникновением почв, всегда протекает только при непосредственном участии живых организмов.

Почвообразованием называется сложный природный процесс перехода горной породы в качественно новое состояние. Этот процесс протекает при взаимодействии минерального вещества земной коры с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Причем такое взаимодействие в земных условиях происходит при прямом и косвенном влиянии других факторов внешней среды. Ра-

238

стительные сообщества извлекают из горных (материнских) пород (в дальнейшем – «из почв») питательные элементы, синтезируют сложные органические соединения – биомассу –

ивозвращают эти соединения в почву в виде отмирающей

иопавшей на землю растительной массы корней.

Одним из главных факторов, играющих большую роль в преобразовании этих органических остатков, являются дождевые черви, личинки многочисленных насекомых и микроорганизмы. В процессе питания они измельчают растительную массу, перемещают ее, перемешивая органические и минеральные вещества. Находясь в тесном взаимодействии между собой и с минеральной частью горных пород и почв, живые организмы активно участвуют в малом биологическом круговороте веществ. В результате этого процесса в верхних горизонтах, почвообразующих породах и почвах накапливаются биогенные элементы (азот, углерод, фосфор, сера и др.), происходит образование и дальнейшее развитие почв.

Примеры решения задач (гипергенез и почвообразование) [16]

ПРИМЕР 11.1. Радиус зоны истощения запасов фосфата вокруг корня растения увеличивается примерно пропорционально корню квадратному от времени: r = 0,32t1/2, где t – время, сут. Исходя из этого уравнения, рассчитайте время, необходимое для развития зоны истощения радиусом 2 мм.

Решение. Из формулы, приведенной в условии задачи,

следует:

t = (r/0,32)2,

где 0,32 – эмпирический коэффициент, мм/сут1/2 t = (2/0,32)2 = 39 (сут).

Ответ: время, необходимое для развития зоны истощения 2 мм, составляет 39 сут.

239

Глава 12 МЕХАНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ

Одним из главных признаков, определяющих многие свойства почв, является их механический состав. В связи с особой важностью этого свойства почв для производственных и сельскохозяйственных целей полное наименование почвы всегда содержит в себе и название по механическому составу. Достаточно точно механический состав почв можно установить даже в полевых условиях по методу Н.А. Качинского [63].

Для этого почвенную массу увлажняют до тестообразного состояния и пробуют на ладони скатывать шарики или шнур, который имеет толщину 3 мм в диаметре, а при последующем его сгибании должно получиться колечко диаметром 3 см. В случае, если шарик не скатывается, почва – песчаная. Если скатывается в непрочный шарик, который при сдавливании между пальцами сформируется в чечевицеобразные лепешки, почва супесчаная. Скатываются короткие неравномерно утолщенные колбаски, которые трескаются и ломаются при сгибании, кольцо не получается, – почва среднесуглинистая. Скатывается шнур, сгибающийся в кольцо, на внешней части которого появляются трещинки, – почва тяжелосуглинистая. Легко скатывается шнур, сгибающийся в кольцо без трещин, – почва глинистая.

Твердая фаза почв неоднородна и состоит из агрегатов или структурных частей, которые представляют собой совокупность механических элементов.

Все механические элементы почвы образовались в результате процессов выветривания горных пород и почвообразования. Различают первичные механические элементарные частицы почвы, которые образуются в процессе физического выветривания горных пород и минералов, и вторичные, образующиеся путем синтеза конечных продуктов выветривания,

240