Изменение минералогического состава илистой фракции почвообразующих пород под влиянием оглеения

Изменение состава тонкодисперсных фракций в почвах под влиянием ог­леения изучалось рядом исследователей. По данным Г. Брауна [Brown, 1954], состав силикатной фазы ила в трех почвах разной степени оглеенности северо- западной Англии не меняется от проявления степени оглеения.

В ряде работ обсуждается возможность вхождения Fe²⁺ в почвенный поглощающий комплекс при периодической смене восстановительных и окислительных условий и вытекающие из этого явления последствия: разру­шение глинистых силикатов [ферролиз по Brinkman, 1969, 1970], вытесне­ние в раствор обменного алюминия [Cate, Sukhai, 1964], образование желе­зистых прослоек в 2 :1-силикатах [Mitsuchi, 1974, 1974а]. Учитывая известное различие данных и точек зрения по этому актуальному вопросу, нами [Зай­дельман, Соколова, Нарокова, 1978] были исследованы изменения илистой фракции трех наиболее распространенных в лесной зоне почвообразующих пород под влиянием оглеения в условиях модельного опыта.

В результате оглеения в условиях застойного и застойно-промывного режимов произошли определенные изменения валового химического соста­ва (табл. 2.12), дифракционных картин (рис. 2.7) и термических характерис­тик (табл. 2.15) илистых фракций.

Во всех образцах в условиях застойно-промывного режима уменьшилось количество гигроскопической влаги, при застойном режиме такая же карти­на наблюдалась в илистых фракциях лессовидного суглинка и песка.

Рис. 2.7. Рентгендифрактограммы илистых фракций почвообразующих пород — бескарбонатного лессовидного суглинка (Д) и карбонатного моренного суглинка (Б):

а) контроль; б) застойное увлажнение; в) застойно-промывное увлажнение; 1 — Мд, 20 *С; 2 — Мд, глицерин, 20 ’С; 3 — Мд, 550 ’С

Ч. 1. Общие закономерности формирования почв и ландшафтов, проблемы их мелиорации

Таблица 2.15

Потеря массы илистыми фракциями почвообразующих пород при нагрева­нии по интервалам температур (% от воздушно-сухой илистой фракции)

В иле лессовидного суглинка и песка произошло также уменьшение со­держания железа кристаллической решетки.

Как видно из рис. 2.7, глинистые минералы в составе исследованных илистых фракций исходных пород представлены одинаковыми компонента­ми примерно в равных пропорциях — каолинитом, иллитом и разбухающим минералом. Последний дает в исходном состоянии отражение 14—15 А, а при насыщении глицерином — асимметричный пик или площадку на линии фона в области 18—20 А. По Б.П. Градусову (1976), такой минерал можно диагностировать как сложное неупорядоченное смешанослойное образова­ние с переменной нормой переслаивания слюдистых и смектитовых слоев с блоками смектитовых пакетов. В составе илистой фракции песка присут­ствует заметное количество кварца. Оглеение как в застойно-промывном, так и в застойном режимах не приводит к появлению каких-либо новых минералов в составе илистой фракции или к исчезновению какого-либо из исходных силикатных компонентов.

Такой вывод был сделан ранее [Зайдельман, 1974] и в отношении есте­ственных объектов при изучении илистой фракции глееватых и глеевых го­ризонтов подзолистых и болотно-подзолистых почв, приуроченных к по­кровным и песчаным почвообразующим породам.

Вместе с тем в дифракционных картинах и термических характеристи­ках илистых фракций пород наблюдаются некоторые изменения. На рент- гендифрактограммах илистой фракции лессовидного суглинка уменьшается интенсивность 14—15 А отражения, особенно при оглеении в застойно-про­мывном режиме, этот рефлекс становится более размытым и асимметрич­ным. Отчетливо меняется также отношение интенсивности рефлексов пер­вого и второго порядков иллитовых минералов в моренном и лессовидном суглинках в условиях как застойного, так и застойно-промывного режимов

5 - 9973

увлажнения; это отношение во всех образцах уменьшается в 1,5-2 раза по сравнению с исходным:

Лесс исходный 4,0

Лесс в застойном режиме 2,2

Лесс в застойно-промывном режиме 2,5

Морена исходная 2,3

Морена в застойном режиме 1,6

Морена в застойно-промывном режиме 1,8

Особенно заметное изменение этого отношения наблюдается в лессо­видном суглинке в застойном режиме увлажнения.

Изменились также потери массы по температурным интервалам при на­гревании в исследованных илистых фракциях. В результате оглеения умень­шились потери массы в низкотемпературном интервале (20—250 °С) и не­сколько возросли в высокотемпературном (500—1000 °С). В застойном режиме уменьшается, а в застойно-промывном увеличивается потеря массы в темпе­ратурных интервалах 250-400 и 400—500 °С.

Указанные изменения в валовом химическом составе илистой фракции, в дифракционных картинах и термических характеристиках можно интер­претировать следующим образом. Во всех исследованных илистых фракциях оглеение приводит к мобилизации и растворению несиликатных форм желе­за Fe₂O₃ (табл. 2.12).

Некоторые изменения под влиянием оглеения происходят также в со­ставе силикатной фазы ила. Можно предполагать, что в преобразовании гли­нистых силикатов под действием оглеения принимает участие процесс раз­рушения разбухающего смешанослойного иллит-смектитового минерала или потери этим минералом части смектитовых пакетов. Это предположение представляется правомерным для илистой фракции из лессовидного суглин­ка и песка, где оглеение, особенно в застойно-промывном режиме, протека­ло в условиях кислой реакции. Разрушение разбухающих минералов под­тверждается уменьшением содержания гигроскопической воды и величины потери массы в низкотемпературном интервале при нагревании илистых фракций, а также ухудшением дифракционной картины от разбухающего минерала при оглеении. В карбонатном моренном суглинке в условиях ней­тральной или слабощелочной реакции потеря разбухающего минерала в со­ответствии с приведенными выше критериями очень невелика и отмечается лишь при застойно-промывном режиме.

Под влиянием оглеения в исследованных илистых фракциях происходят определенные изменения в кристаллических решетках иллитовых минера­лов. По всей вероятности, оглеение приводит к выходу железа из октаэдри­ческих позиций кристаллических решеток иллитов. Об этом свидетельствует уменьшение отношения интенсивностей рефлексов первого и второго по­рядков от иллитовых минералов.

Следует отметить, что выход железа из октаэдрических позиций иллитов не сопровождается разрушением их кристаллической решетки, поскольк) оглеение не привело к существенной потере К₂О в валовом химическом со­ставе илистой фракции.

Выход железа из кристаллической решетки иллитов и потеря магния при разрушении разбухающих минералов должны приводить к относитель­ному накоплению трехслойных силикатов с алюминием в октаэдрических позициях и соответственно к накоплению А1₂О₃ в составе илистой фракции. Это предположение подтверждается данными валового химического состава ила как в исходном виде, так и в пересчете на навеску, лишенную несили­катных форм Fe₂O₃, чтобы исключить влияние потери несиликатного железа на данные валового анализа (табл. 2.16).

Таблица 2.16

Содержание SiO₂ А1₂О₃ в илистой фракции (% на прокаленную бескарбонатную навеску) после двух лет оглеения, рассчитанное

на навеску без суммы окислов, подверженных элювиированию

Оглеение, по всей вероятности, приводит к восстановлению окисного железа, находящегося в октаэдрических позициях, до двухвалентного состо­яния.

Рассмотренные выше изменения химического и минералогического со­става илистых фракций почвообразующих пород, вызванные процессом ог­леения, оказывают влияние на валовой химический состав породы в целом. В частности, уменьшение содержания общего и окисного железа, увеличение закисного железа в валовом химическом составе пород являются, по крайней мере частично, результатом тех изменений, которые происходят при оглеении с входящими в состав почвообразующих пород илистыми фракциями.

В цитированных выше литературных источниках, посвященных составу илистых фракций в оглеенных почвах, отмечается возможность некоторого деструктивного действия оглеения на кристаллические решетки глинистых силикатов. Рассматривая с этой точки зрения результаты наших исследова­ний, можно высказать некоторые соображения по поводу механизма дегра­дации слоистых силикатов под влиянием оглеения.

Во-первых, под действием оглеения происходит растворение защитных пленок гидроокисей железа с поверхности глинистых частиц и агрегатов. Поверхность глинистых минералов становится доступной непосредственно­му воздействию почвенных растворов. Во-вторых, восстановление октаэд­рического железа до двухвалентного состояния при оглеении (с последую­щим возможным его окислением при смене восстановительных условий на окислительные), а также выход железа из октаэдрических позиций могут приводить к нарушению электростатического равновесия в решетке, к со­зданию вакантных октаэдрических позиций и, как следствие, к деградации кристаллических решеток слоистых силикатов. Данный процесс должен идти особенно интенсивно в условиях кислой реакции и застойно-промывного режима увлажнения, так как эти условия обеспечивают возможность кис­лотного гидролиза и удаление продуктов распада из сферы реакции.

Таким образом, оглеение в условиях двухлетнего модельного опыта с застойным и застойно-промывным режимами увлажнения не приводит к появлению каких-либо новых минералов в составе илистой фракции иссле­дованных почвообразующих пород или к полному исчезновению какого- либо из исходных силикатных компонентов ила. Вместе с тем в химическом и минералогическом составах изученных илистых фракций произошли оп­ределенные изменения, вызванные оглеением.

Во всех исследованных образцах наблюдается мобилизация и переход в раствор несиликатных форм железа и частичное восстановление железа, нахо­дящегося в октаэдрических позициях слоистых силикатов, до двухвалентного состояния. Последний процесс может сопровождаться увеличением числа гид­роксильных группировок в решетках слоистых силикатов. Оглеение в кислых условиях приводит к частичной потере разбухающего смешанослойного слю- дасмекгитового образования или во всяком случае к потере некоторого количе­ства смектитовых пакетов из этого образования, вероятно, за счет процесса разрушения. В нейтральных и слабощелочных условиях этого не наблюдается. Оглеение при застойном и застойно-промывном режимах увлажнения в раз­личных условиях реакции среды имеет своим результатом частичную потерю октаэдрического железа из кристаллических решеток иллитовых минералов.

2.1.4.9.