Твердая компонента

Твердая компонента почвогрунта слагается различными минералами, органическим веществом, органоминеральными соединениями и водой в твердом состоянии.

При изучении минералов наибольшее внимание уделяется их физическим, физико-химическим и механическим свойствам, которые зависят от кристаллической структуры минералов. Исходя из строения и преобладающего типа (ионный, ковалентный, водородный, остаточный (молекулярный)) межатомных связей среди минеральных образований, входящих в состав твердой компоненты грунта, можно выделить пять групп соединений:

1) минералы класса первичных силикатов;

2) простые соли (галоиды, сульфаты, карбонаты);

3) глинистые минералы;

4) органическое вещество и органоминеральные комплексы;

5) лед.

Основным структурным элементом большинства силикатов является кремнекислородный тетраэдр (SiO₄)^4–, в центре которого находится ион Si⁴⁺, а в вершинах – ионы O^2–. Одним из наиболее распространенных минералов среди силикатов является кварц (SiO₂). Структура SiO₂ относится к числу рыхлых (ажурных) структур. Несмотря на это кремнекислородный каркас кварца, благодаря прочным ионно-ковалентным связям, имеет сравнительно высокую механическую прочность, небольшую сжимаемость, несовершенную спайность, низкую растворимость, слабо выветривается. Одним из проявлений влияния особенностей строения силикатов на их свойства служит спайность, т. е. способность минералов раскалываться или расщепляться в строго определенных направлениях. Неоднородность сил связи между атомами в различных направлениях, выражающаяся в спайности, обуславливает анизотропию многих физических и химических свойств силикатов (например, прочность, упругость, электрические свойства).

К группе простых солей относятся галоиды (галит (NaCl), сильвин (KCl)), сульфаты (гипс (CaSO₄×2H₂O), ангидрит (CaSO₄)), карбонаты (кальцит (СаСО₃), доломит (Са, Mg(CO₃)₂), сидерит (FeCO₃)), широко распространенные среди осадочных и несколько меньше среди метаморфических и магматических пород. Их объединяет слабаяустойчивость в воде, обусловленная особенностями строения и преобладанием ионного типа связи в структуре. Поэтому присутствие простых солей в грунтах сильно влияет на их механические свойства (особенно при выщелачивании солей), водопроницаемость, солевой состав порового раствора и т. д.; с развитием простых солей связаны процессы карстообразования в земной коре.

Глинистые минералы – это относительно стабильные минеральные образования группы водных силикатов слоистого и слоисто-ленточного строения, образующиеся преимущественно в процессе химического выветривания горных пород и отличающиеся от других минералов класса силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, способностью к сорбции и ионному обмену. Высокая дисперсность глинистых минералов является их естественным физическим состоянием. В природных условиях глинистые минералы имеют размер частиц не более 1–10 мкм, и поэтому встречаются в наиболее тонкой (глинистой) фракции осадочных пород, к которой обычно относят частицы размером < 1–2 мкм. Глинистые минералы являются наиболее активной составной частью дисперсных горных пород, в значительной степени обусловливающей их свойства. Поэтому даже небольшое содержание глинистых минералов в горной породе существенно влияет на многие важнейшие ее свойства, такие, как гидрофильность, прочность, водопроницаемость, пластичность, набухание и т. д. Химический состав глин характеризуют обычно содержанием оксидов (в процентах по массе). Главными и обязательными оксидами, составляющими различные глины, являются кремнезем SiO₂ (от 40 до 70%) и глинозем Аl₂О₃ (от 15 до 35%). Постоянными компонентами глин являются также К₂О и Na₂О (вместе 1–15%), химически связанная H₂O (около 5–15%). Резкое возрастание кремнезема обычно обусловливается присутствием песчаной примеси в глинах. С увеличением содержания Аl₂О₃ повышаются пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания кремнезема пластичность глин снижается, увеличивается пористость. Одной из важнейших особенностей глинистых минералов является широкое развитие у них изоморфизма. В результате изоморфизма идет замещение в структуре одних катионов другими. При этом тип кристаллической структуры минерала остается прежним, а изменяется только его химический состав и физико-механические свойства. Особенно легко замещаются катионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, и анионы SO₄^2-, Сl^-, PO₄^3-, NO₃^1-. Следует отметить, что тенденцией к ионному обмену обладают практически все минералы, если они переведены в тонкодисперсное состояние, так как на обломанных краях кристалликов заряды некоторых элементов становятся незамещенными. Возникают и неуравновешенные свободные заряды, например при замене А1³⁺ на Si⁴+ или Mg²⁺ на А1³⁺, что также способствует ионному обмену. Замена катиона на другой приводит к изменению свойств глин – пластичности, водопроницаемости, густоплавкости и др.

В составе почвогрунтов довольно часто встречается органическое вещество, представляющее собой остаточные продукты разрушения существовавших некогда организмов. В осадочных породах оно может находиться в форме концентрированных скоплений (торфяники, пласты углей, сланцев) или в рассеянном виде. 90% органического вещества, находящегося в осадочной оболочке Земли, связано с глинистыми породами. Для органического вещества и особенно для наиболее разложившейся (гелифицированной) его части – гумуса – характерны высокая гидрофильность, высокая влагоемкость, высокая пластичность, низкая водопроницаемость, сильная сжимаемость и т. п. Присутствие в породах даже незначительного количества гелифицированного органического вещества может коренным образом изменить их свойства. Например, небольшая примесь гумуса в тонкодисперсных песках придает им плывунные свойства; добавление нескольких процентов гумуса в песок снижает его водопроницаемость в сотни раз. Важной особенностью большинства компонентов органического вещества является их высокая физико-химическая активность по отношению к минеральной составляющей грунтов. Обладая в основном кислотными свойствами, органическое вещество является чрезвычайно активным агентом выветривания, разлагая силикаты и другие минералы.

При отрицательных температурах поровая влага грунтов кристаллизуется и переходит в лед – одна из составных частей твердой компоненты мерзлых грунтов. Кристаллизация льда с переходом молекул воды к более рыхлой (по сравнению с водой) гексагональной упаковке сопровождается понижением плотности образующейся фазы. Поэтому плотность льда в среднем на 9% ниже плотности воды и составляет 0,91 г/см³ (при 0°С). В отличие от всех породообразующих минералов лед относится к числу молекулярных кристаллов, характеризующихся значительно меньшей межмолекулярной связью, чем внутримолекулярной. Поэтому для кристаллов льда характерны ярко выраженные пластические деформации. Лед обладает высокой диэлектрической проницаемостью, которая на 20–30% выше, чем у воды. Благодаря наличию на поверхности кристаллов льда переходного слоя лед–вода (при температурах от 0° С до нескольких десятков градусов) лед проявляет наряду с объемной значительную поверхностную электропроводимость. Роль льда в мерзлых грунтах исключительно велика. Наличие льда в таких грунтах определяет их строение и многие специфические свойства. Являясь цементом минеральных составляющих мерзлых грунтов и придавая структуре грунта повышенную прочность, лед в то же время относится к наиболее термодинамически неустойчивой части твердой компоненты, быстро реагирующей на изменения внешних условий. Поэтому мерзлые грунты должны рассматриваться как наиболее динамичные системы, состояние и свойства которых во многом определяются образованиями льда.

Твердая компонента всех почвогрунтов, за небольшим исключением, состоит из отдельных кристаллов, обломков кристаллов или обломков пород, получивших название структурных элементов. Фракции почв и грунтов классифицируют по диаметру структурных элементов (частиц), мм: гравий 20–2; песок 2–0,25; пыль 0,25–0,1; глина < 0,01 (коллоидная фракция глин 0,001). К глинам относят почвы и грунты, содержащие глинистых частиц более 30%, к суглинкам – 10–30, к супесям – 3–10, к пескам – до 3%. По генетическим типам почвы можно классифицировать на тундровые, подзолистые и дерново-подзолистые, болотные, лесостепные, черноземы, каштановые и бурые сероземы, красноземы и засоленные почвы, а по петрографическим типам – на хрящеватые, песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые.

Дата добавления: 2014-11-29