Процессы выветривания

Поверхность земной коры подвержена действию атмосферы, что делает ее восприимчивой к физическим и химическим процессам.

Физическое выветривание является механическим процессом, в результате которого порода размельчается до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе. Когда сдерживающее давление коры устраняется поднятием и эрозией, устраняются и внутренние напряжения в пределах подстилающих пород, позволяя расширившимся трещинам открыться. Эти трещины могут потом раздвинуться за счет термического расширения (вызванного суточными флуктуациями температуры), расширения воды в процес­се замерзания, а также воздействия корней растений. Другие физические процессы, например ледниковая деятельность, оползни и истирание песком, производят дальнейшее ослабление и разрушение твердой породы. Эти процессы важны, поскольку они значительно увеличивают поверхностные участки породы, подверженные действию агентов химического выветривания, например воздуха и воды.

Химическое выветривание вызывается водой - особенно кислой водой - и газами, например кислородом, который разрушаетминералы. Некоторые ионы и соединения исходного минерала удаляются с раствором, просачивающимся через обломки минералов и питающим грунтовые воды и реки. Тонкозернистые твердые вещества могут вымываться из выветриваемого участка, оставляя химически измененные остатки, которые формируют основу почв. Можно рас­сматривать процессы выветривания, - а физическое и химическое выветривание обычно действуют вместе - как приспособление пород и минералов, образовавшихся при высоких температурах и давлениях к условиямна поверхности Земли с низкими температурой и давлением. Минералогические изменения происходят для того, чтобы соединения вновь приобрело устойчивость в новой окружающей среде. Известны различные механизмы химического выветривания, разнообразные сочетания которых действуют одновременно в ходе процессов разрушения большинства пород и минералов.

Растворение. Простейшая реакция выветривания — это растворение минералов. Молекула воды эффективна при разрыве ионных связей, например таких, которые соединяют ионы натрия (Na⁺)т и хлора (Cl^-) в галите (каменная соль). Мы можем выразить растворение галита упрощенно, т.е.

H₂O

NaCl (тв ) ↔ Na⁺(водн) + Cl^-(водн)

(галит)

 

Окисление. Свободный кислород играет большую роль при разложении веществ в восстановленной форме. Например, окисление |восстановленного железа (Fе^2-) и серы (S) в обычном сульфиде пирите (FeS₂) приводит к образованию сильной серной кислоты (Н₂SO₄)

2FeS₂(тв) + 7,5 О₂(г) +7H₂О(ж) → 2Fe(OH)₃(тв) + H₂S0₄(водн) (2.2)

Сульфиды часто встречаются в алеврито-глинистых породах рудных жилах и угольных отложениях. При разработке рудных и угольных месторождений сульфид остается в отработанной породе, которая накапливается в отвалах. Такие отвалы пустой породы имеют большие поверхности, подверженные влиянию атмосферы, где окисление сульфидов происходит быстро и в больших масштабах. Кроме того, заброшенные рудные выработки быстро затопляются грунтовыми водами. Образование серной кислоты делает дренажные воды с заброшенных рудников сильно кислыми (рН до 1 или 2). Такая кислотность может увеличить растворимость алюминия и стать причиной токсичности для водных экосистем. В окисление сульфидов вовлечены микроорганизмы, что можно моделировать ряд реакций

2FeS₂(тв) + 2H₂О(ж) +7О₂(г) → -4H⁺(водн) +4SО₄^2-(водн) + 2Fe²⁺ (2.3)

(окисление пирита),

затем следует окисление железа [(Fе(П)] в (Fе(Ш)]:

4Fe²⁺(водн) +О₂(г) + 10H₂О(ж) → 4Fe(OH)₃(тв) +8H⁺(водн) (2.4)

 

Окисление происходит очень медленно при низких значениях рН кислых рудниковых вод. Однако ниже рН 4,5 окисление железа катализируют Thiobacillus fenrooxidans и Leptospintlttj ferrooxidans. Окисное железо может далее взаимодействовать с пиритом: .

FeS₂(тв) +14Fe³⁺(водн) +8Н₂O(ж) →15Fe²⁺(водн) +2SО₄^2-(водн) +16Н⁺ (водн) (2.5)

При значениях рН намного выше 3 железо (III) осаждается как обычный оксид железа (Ш), гетит (FeOOH):

Fe³⁺ (водн) + 2Н₂О(ж)→ FeOOH (тв) + ЗН⁺ (водн). (2.6)

Осажденный гетит покрывает дно ручьев и кирпичную кладку в виде характерного желто-оранжевого налета.

Бактерии используют соединения железа в целях получения энергии для своего метаболизма (например, окисление закисного железа в окисное). Поскольку эти бактерии извлекают энергию при окислении неорганических веществ, они развиваются там, где нет органических веществ, используя в качестве источника углерода (С) углекислоту (СО₂). Однако окисленной железа не является эффективным способом получения энергии: для продуцирования 1 г клеточного углерода должно быть окислено примерно 220 г Fe²⁺. В результате там, где живут железоокисляющие бактерии, образуются большие отложения оксида железа (Ш).

Восстановленные железосодержащие силикаты, например некоторые оливины, пироксены и амфиболы, также могут претерпевать окисление:

Fe₂SiO₄(тв)+ 1/2O2(г) + 5Н₂О(ж)→ 2Fе(ОН)₃(тв)+ Н₄SiO₄(водн) (2.7);

Fe(II) Fе(Ш)

Продуктами являются кремниевая кислота Н₄SiO₄и коллоидный гидроксид железа Fе(ОН)₃, слабое основание, которое при дегидратации дает ряд оксидов железа, например Fe₂Оз (гематит -темно-красного цвета), FeOOH (гетит и лепидокрокит —желтого цвета или цвета ржавчины). Частая встречаемость этих оксидов железа говорит об их нерастворимости в окислительных условиях земной поверхности. . .

Присутствие воды ускоряет окислительные реакции, о чем свидетельствует ежедневно наблюдаемое явление окисления металлического железа (ржавчина). Вода действует как катализатор, окислительный потенциал зависит от парциального давления газообразного кислорода и кислотности раствора. При рН 7 вода в контакте с воздухом имеет Eh порядка 810 мВ — окислительный потенциал, намного больший того, который необходим для окисления закисного железа.

Окисление органического вещества. Окисление восстановленного органического вещества в почвах катализируется микроорганизмами. Опосредованное бактериями окисление мертвого органического вещества до CO₂ важно с точки зрения образования кислотности. В биологически активных (биотичных) почвах концентрация СО₂ может в 10—100 раз превышать ожидаемую при равновесии с атмосферным СО₂, приводя к образованию угольной кислоты (Н₂СО₃) при ее диссоциации. Чтобы упростить уравнения, органическое вещество представлено обобщенной формулой для углевода, СН₂О:

 

СН₂О(тв) + О₂(г) → СО₂(г) + Н₂О(ж) (2.8)

СО₂(г) + Н₂О(ж) → Н₂СО₃(водн) (2.9)

Н₂СО₃(водн) → Н⁺(водн) + НСО₃^-(водн) (2.10)

 

Эти реакции могут понизить водный рН почв от 5,6 (значение, которое устанавливается при равновесии с атмосферным СО₂)-до 4— 5. Это является упрощением, поскольку органическое вещество почв (гумус) не всегда полностью разлагается до СО₂. Однако продукта частичного разрушения обладают карбоксильными (СООН) и фенольными группами, которые при диссоциации дают ионы Н⁺:

RCOOH→ RCOO^- + H⁺ (2.11)

где R означает большую органическую структурную единицу. Кислотность, накапливаемая при разложении органического вещества, используется при разрушении большинства силикатов в процессе кислотного гидролиза.

Кислотным гидролиз. Природные воды содержат растворимы вещества, которые придают им кислотность — это и диссоциация атмосферного СО₂ в дождевой воде, и частично диссоциация почвенного СО₂ с образованием Н₂СОз, диссоциация природного и антропогенного диоксида серы (SO₂) с образованием Н₂SОз и H₂SО₄. Peaкцию между минералом и кислыми агентами выветривания обычно называют кислотным гидролизом. Выветривание СаСО₃ демонстрирует следующая принципиальная реакция

СаСО₃(тв) + Н₂СОз(водн) → Са²⁺(водн) + 2НСОз^-(водн) (2.12)

Ионная связь Са—СОз в кристалле кальцита разрывается и свободные ионы СОз^2- притягивают от Н₂СОз достаточно ионов Н⁺', чтобы образовался стабильный ион гидрокарбоната НСОз^-. Отметим, что второй ион НСОз^-, образующийся по уравнению, не участвует, в реакции, когда Н⁺ перемещается от Н₂СОз. Гидрокарбонат — очень слабая кислота, поскольку она слабо диссоциирует на Н⁺ и СО₃^-, и ее диссоциации недостаточно, чтобы реагировать с карбонатом. В общем в результате реакции нейтрализуется кислота, содержащаяся в воде. Процесс зависит от количества доступного СО₂: избыток СО₂ вызывает образование большего количества Н₂СОз, которая растворяет СаСОз (прямая реакция); и наоборот, недостаток СО₂ стимулирует обратную реакцию и осаждение СаСОз. Образующиеся в пещеpax сталактиты и сталагмиты являются примером осаждения СаСОз вызванного дегазацией СО₂ из грунтовых вод. Этот отклик на изменение количества СО₂— наглядный пример принципа Ле-Шателье.

Кислотный гидролиз простого силиката, например богатого магнием оливина, форстерита, можно обобщить следующим образе

Mg₂SiО₄(тв) + 4Н₂СОз(водн) → 2Мg²⁺ + 4НСОз^-(водн) +H₄SiO₄(водн) (2.13)

Отметим, что при диссоциации Н₂СОз образуется ионизированный НСО₃^-, немного более сильная кислота, чем нейтральная молекула (H₄SiO₄), образующаяся при разложении силиката.

Совокупные процессы растворения СО₂ в почвенных водах, последующей диссоциации Н₂СОз и образования НСОз^- в результате кислотного гидролиза при выветривании и приводят к тому, что поверхностные воды имеют нейтральную реакцию и преобладающим ионом является НСОз^-.

Выветривание сложных силикатов. До сих пор мы рассматривали выветривание мономерных силикатов (например, оливина), которые полностью растворяются (конгруэнтное растворение). Это упрощало химические реакции. Однако присутствие измененных в процессе выветривания минеральных остатков предполагает, что более распространено неполное растворение. Упрощенная реакция выветривания на примере богатого кальцием (Са) анортита:

CaAl₂Si₂O₈ + 2H₂CO₃ + H₂O → Ca₂+ + 2HCO₃^- + Al₂Si₂O₅(OH)₄ (2.14)

Твердым продуктом реакции является каолинит Al₂Si₂O₅(OH)_4,| важный представитель глинистых минералов. Приведенная реакция |описывает инконгруэнтное растворение полевого шпата, т.е. растворение переосаждением некоторых соединений из выветриваемого минерала in situ

В заключение можно сказать, что доминирующим процессом выветривания в верхнем слое коры является кислотный гидролиз, в результате которого образуются частично разрушенный и гидратированный остаток и растворенные в воде кремниевая кислота и гидрокарбонат. Однако следует помнить, что большая часть континентальных областей Земли перекрыта более молодыми осадочными породами, включая хорошо растворимые, например известняк. Известняки распространены в молодых горных поясах таких, как Европейские Альпы и Гималаи, где скорости физического выветривания высоки. Отсюда возможно, что на самом деле реакции выветривания в среднем направлены более в сторону выветривания осадочного слоя, чем континентальной коры, то есть растворение известняка, а не полевого шпата, является ведущей реакцией выветривания.

2.3. Почвы. Химический состав, свойства, загрязнение

В результате процессов физического, химического выветривания, формирования верхних слоев земной коры под влиянием жизни, атмосферы и обменных процессов, образовалась почва –рыхлый слой поверхностных горных пород вместе с включенными в него водами, воздухом, живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Почва обладает специфическим свойством – плодородием, то есть способностью обеспечивать растения элементами питания, влагой, воздухом и давать урожай.

Почва образовалась позже литосферы, гидросферы и биосферы и является результатом их взаимодействия. В структуре биосферы почва является центральным звеном. Это важный средообразующий фактор. По почве выделяют ландшафты, в структуру которых входят биогеоценозы. Наземные биогеоценозы состоят из растений, животных, микроорганизмов, почвы, водных ресурсов, воздуха. Связь между всеми этими компонентами происходит через почву.

Основы почвоведения были созданы русским ученым В.В. Докучаевым. В.В. Докучаев был почвоведом широкого профиля, он интересовался происхождением почв, их классификации географическим распространением, немало внимания уделял вопросам химии почв. При характеристике почв он опирался на результаты химических анализов. В.В. Докучаев впервые проанализировал процесс гумификации (превращение органических остатков растений в почвенный гумус) как функцию биоклиматических условий, объяснив содержание и свойства гумуса различных почв температурными условиями, количеством осадков, уровнем проникновения в почву атмосферного воздуха.

Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В твердой фазе преобладают минеральные образования - первичные (кварц, полевые шпаты, слюда) и вторичные (каолинит, гидрослюды и др.) К этой же фазе относятся различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение. Жидкую фазу почвы или почвенный раствор, составляет вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями, а также газами. Газовую фазу почвы составляет «почвенный воздух», включающий газы, заполняющие свободные от воды поры, а также газы, адсорбированные коллоидными частицами и растворенные в почвенном растворе. Слоистая структура почвы возникает в результате взаимных перемещений в ней продуктов органического и неорганического происхождения.

Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одинаковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород (подпочвы), климата, растигельных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местности. Если заложить почвенный разрез (выкопать яму) с вертикальной передней стенкой, то на ней станет отчетливо видна по­следовательность генетических горизонтов.

В профиле чернозема верхнюю часть занимает горизонт А—- перегнойно-аккумулятивный; он имеет темно-серую окраску, содержит много гумуса, азота, фосфора. Аналогичные горизонты имеются во всех почвах, но обычно они значительно меньшей мощности, более светлые по окраске и содержат меньше гумуса. Ниже горизонта А располагается переходный горизонт В, затем горизонт ВС и неизмененная порода — горизонт С. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах горизонт А мал и обеднен элементами питания, под ним формируется горизонт Е, из которого нисходящими токами влаги вынесены Fе, А1, К, Mg и другие элементы, а накапливаются имущественно оксиды кремния SiO₂. Многие элементы, особенно Fe, скапливаются в следующем горизонте В. Если горизонт Е называют элювиальным (от латинского е1ио — вымывать), то горизонт В - иллювиальным. Еще ниже могут быть горизонты с интенсивным развитием восстановительных процессов, их называют глеевыми и обозначают буквой Q.

Количество генетических горизонтов велико, и этим обусловлено большое разнообразие почв. Первичными свойствами горизонтов являются химический состав и химические свойства: так, серая или темно-серая окраска вызвана присутствием гуминовых веществ, бурые, красноватые тона, связаны с оксидами железа.

Сочетания горизонтов, их свойства, выраженность зависят от небольшого числа факторов почвообразования, к которым относятся климат, растительность, почвообразующие породы, рельеф и возраст почв. Сочетание факторов приводит к различным водно-воздушным, окислительно-восстановительным, кислотно-основным режимам почв, а в целом образуется хорошо организованная система, называемая почвенным профилем.

Набор и количественное соотношение химических элементов в почве называют ее элементным составом. Любые почвы содержат все 92 элемента Периодической системы Д.И. Менделеева, а в случае химического загрязнения в почвах обнаруживаются и трансурановый элементы. Диапазон концентраций очень велик: от десятков и единиц массовых долей (в %), до 10^-10— 10^-12 %. Часть элементов участвует в формировании почвенной массы, другая часть существенно не влияет на свойства почвенной массы, но зато играет важную физиологическую роль: некоторые элементы могут быть как стимуляторами физиологических и биохимических процессов, так и быть токсичными.

Химические элементы представлены в почвах большим набором их химических соединений. Разнообразие соединений любого из элементов обеспечивает сравнительную устойчивость химического состояния почв. Так, соединения фосфора представлены преимущественно ортофосфатами, но они могут находиться одновременно в виде различных соединений с кальцием, алюминием, железом, цинком, свинцом, марганцем. О разнообразии фосфатов дает представление следующий далеко не полный переченьих почвенных соединений: Са₃(РО₄)₂, Са₁₀(РО₄)_б(ОН)₂, Са₁₀(РО₄)_бF₂, Са₄(РО₄)₃Н*ЗН₂О, Са₃(РО₄)₂, Са(Н₂РО₄)₂, CaHPО₄, А1РО₄*2Н₂О, FеРО₄•2Н₂О, Fе₃(РО₄)₂•8Н₂О,Pb₃(PO₄)₂, Zn₃(PO₄)₂, Pb₅(PO₄)₃OH, PbAl₃H(OH)₆(PO₄)₂, MnHPO₄. Кроме того, значительная часть фосфора представлена органическими соединениями и конденсированными фосфатами.

Железо в почвах одновременно входит в кристаллические ре­шетки алюмосиликатов, в гётит FeOOH, гематит Fе₂Оз, в различные гидроксиды. По мере расхода наиболее растворимых соединений Fе его концентрация поддерживается в почвенном растворе другими со­единениями железа. Соединения кремния в почвенном растворе представлены ортокремниевой кислотой H₄SiО₄ или ее полимерными формами, а в твердых фазах одновременно сосуществуют аморфный и кристаллический диоксид кремния SiO₂ (кварц), минералы группы алюмосиликатов.

Особенно многочисленны в почвах соединения углерода. Практически всегда в почвенном воздухе есть диоксид углерода СО₂ в почвенном растворе — угольная кислота, в степных и сухостепных почвах — СаСОз и Na₂СОз; это только минеральные соединения. Набор соединений в органическом веществе до сих пор не подсчитан, но в их число входят как низкомолекулярные соединения, начиная от метана СН₄, аминокислот, простейших кислот жирного ряда, моносахари­дов, таки, высокомолекулярные соединения, представленные целлюлозой, лигнином, полипептидами.

Особое место занимают специфические для почв гуминовые вещества. Происхождение их таково. Наземные и внутренние почвенные организмы после своего отмирания в виде безжизненного органического вещества поступают в почву. В результате микробиологических и частично химических и физико-химических процесса это вещество подвергается сложным биохимическим преобразованиям. Органические соединения, поступающие в почву в составе ocтатков растительных и животных организмов, либо разрушаются до простых неорганических соединений (СО₂, H₂O, NH₃ и др.), либо преобразуются в новые органические соединения. Комплекс новообразованных специфических почвенных органических соединений получил название почвенного перегноя, или гумуса. В составе органического вещества почвы можно выделить:

1) почти неразложившиеся или слабо разложившиеся преимущественно растительные остатки;

2) сильно измененные растительные остатки, которыеможно выделить и определитьих происхождение лишь с помощью микроскопа;

3) сложные органические соединения, образующие гумус.

Гумус в различных типах почв неодинаков, и его характер определяется рядом условий и факторов, среди которых основная роль принадлежит жизнедеятельности микроорганизмов - бактерий, актиномицетов и грибов. Важное значение имеет состав поступающих в почву растительных остатков. Например, поступление в почву опада хвойного леса, несмотря на его значительную массу, не приводит к заметному накоплению перегноя. Наоборот, разложение корневых остатков травянистой растительности всегда сопровождается значительным накоплением перегноя. Не менее важное значение имеет режим кислорода, определяющий аэробную или анаэробную среду превращения растительных остатков. При аэробном разложении конечными продуктами являются углекислота, вода и кислородные соединения азота и зольных элементов, пригодные для усвоения зелеными растениями. При анаэробном разложении образуются восстановленные соединения (метан, сероводород, фосфористый водород, сернистые соединения) и закисные соединения железа и марганца. Чередования анаэробных и аэробных условий наиболее благоприятны для npoцессов синтеза гумуса. Большое значение для процесса превращения рас­тительных остатков в почве имеют степень влажности, температурные условия, механический и минеральный состав почвы.

Фульвокислоты растворяются в воде, имеют слабожелтоватую окраску (фульвос (греч.) — желтый). Фульвокислоты представляют собой комплексные высокомолекулярные соединения, устойчивые против коагуляции. Для фульфокислот характерно небольшое содер­жание углерода (36-44%) и азота (3,0-4,4%). Большинство солей этих кислот (фульватов) растворимо в воде. Таковы фульваты бария, кальция, магния, алюминия, железа, марганца. Поэтому фульвокис­лоты оказывают выщелачивающее воздействие на почвообразующие породы, способствуя выносу ряда элементов. Содержание фульвокислот (от общего содержания гумуса) колеблется от 35 до 50% в различных типах почв.

Гуминовые кислоты нерастворимы в воде, но растворяются в щелочах. Все представители этой группы относятся к высокомолеку­лярным соединениям. Гуминовые кислоты имеют темно-бурый цвет. Среди них различают гуминовую кислоту (черного цвета) и ульминовую (бурого цвета). Гуминовые кислоты по сравнению с фульвокислотами содержат значительно больше углерода (от 46 до 61%) и азота (от 3,3 до 6,0%). Свободная гуминовая кислота обладает рас­творяющей способностью по отношению к ряду минералов, однако легко коагулирует под воздействием ионов кальция, железа и др. Гу­миновые кислоты образуются в большом количестве при почвообра­зовании в условиях степных ландшафтов.

В различных типах почв содержание гуминовых кислот ва­рьирует от 20% в подзолистых до 40% в черноземных почвах (от об­щего содержания гумуса в почвах). Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам закономерно увеличивается от подзолистых почв к черноземным и затем уменьшается по направлению к почвам пус­тынь.

Часть перегноя, не растворяющаяся ни в воде, ни в щелочном растворе, называют гумином, цвет его черный. Содержание углерода такое же, что и в гуминовых кислотах. Гумин представляет собой миновые вещества, скоагулированные и частично прочно связана с дисперсной минеральной частью почвы.

Гумин, гуминовые кислоты и фульвокислоты образуют специфические компоненты почвенного гумуса, не встречающиеся среди других известных на земле органических веществ. Они составляют 85-90% от общей массы органического вещества почвы. Cpеди негуминовых веществ перегноя обнаружены протеины и другие азотистые соединения, углеводы, жиры, дубильные вещества, воск, смолы и другие вещества, входящие в состав растительных организме

Гумус является наиболее характерной и существенной частью почвы, с которой в основном связано плодородие. В гумусе сохраняются основные элементы питания растений, в первую очередь азот. Эти элементы освобождаются в результате деятельности микроорганизмов и становятся доступными растениям. Отдельные компоненты гумуса участвуют в процессе выветривания, переводя в усвояемую растениями форму новые порции зольных элементов. Гумус частично определяет поглотительную способность почв. Гумус влияет на ряд морфологических и физических свойств почв (влагоемкость аэрацию, тепловые свойства), обусловливая их цвет и структуру.