Утворення і структура вторинних мінералів

Первинні мінерали, нестійкі у термодинамічних умовах земної поверхні, піддаються тут вивітрюванню. Подрібнені під дією фізичних факторів вивітрювання, у подальшому вони піддаються дії в основному хімічних і біологічних факторів, які змінюють їх склад і внутрішню структуру. Оскільки вивітрювання перш за все зачіпає поверхню мінералів, то чим дрібніші їх частинки і, відповідно, чим більша сумарна питома поверхня, тим інтенсивніше проходить процес вивітрювання.

Важливим фактором хімічного вивітрювання у ґрунтах є вода. Суттєве значення має також присутність у ґрунті О і Н₂СО₃ (карбонатної кислоти), які є продуктами життєдіяльності ґрунтових організмів. Насичення Н₂СО₃ надає воді кислої реакції і посилює її руйнівну дію на мінерали. Крім Н₂СО₃, продуктами життєдіяльності організмів у ґрунті є ряд мінеральних і органічних кислот (нітратна, сульфатна, лимонна, щавлева, гумусові), які також відіграють важливу роль у процесі зміни ґрунтових мінералів. Основними реакціями при цьому є гідратація, гідроліз, розчинення, окислення-відновлення.

Одночасно із руйнуванням первинних мінералів у процесі вивітрювання утворюються вторинні мінерали, які є різноманітними за складністю структури. Силіцієва кислота, яка вивільняється при вивітрюванні, частково переходить у стан золя, частково при слабокислій реакції випадає у стан геля, який за складом відповідає формулі SiО₂· n Н₂О. У подальшому аморфний силіцій-гель, втрачаючи воду, може кристалізуватись і утворити вторинний кварц. Крім того, частина силіцієвої кислоти утворює з основами солі (особливо при лужній реакції), натрієва і калієва солі силіцієвої кислоти розчинні у воді і можуть бути вимиті з ґрунту.

Як у колоїдному, так і в розчиненому стані силіцієва кислота може вступати у взаємодію з півтораоксидами, утворюючи при цьому нові складні з’єднання. Аморфні мінерали, які містять SiO₂ i R₂O₃ у різних відношеннях, називаються алофанами.

Гідрати півтораоксидів – АІ₂О₃ і Fe₂O₃ – при слаболужній реакції майже нерозчинні і саме тому повністю випадають із розчину у вигляді гелю. Втрачаючи воду, гідрати півтораоксидів поступово кристалізуються, утворюючи такі вторинні мінерали, як лімоніт – FeOOH(Fe₂O₃·nН₂О), гетит (ґьотит) – FeO(ОН), гематит – Fe₂O₃, гібсит (піраргіліт) – АІ(ОН)₃, беміт – АІО(ОН).

Основи, які вивільнились при вивітрюванні, утворюють з кислотами прості солі, які представляють собою також вторинні мінерали: карбонати, сульфати, нітрати, хлориди, фосфати, силікати, у різній степені розчинні, завдяки чому багато з них можуть накопичуватись у помітних кількостях лише в умовах сухого клімату.

Крім вторинних мінералів простого складу, у результаті вивітрювання утворюються вторинні алюмо- і ферисилікати, які широко поширені у ґрунтах. Ці мінерали називаються глинистими, оскільки є важливою складовою частиною різних глин, відрізняються високим ступенем дисперсності. Загальні їх ознаки: пластинчаста будова, аналогічно будові слюд, і наявність у їх складі хімічно зв’язаної води.

Кількість глинистих мінералів дуже велика, але у ґрунтах найбільше значення з них мають мінерали груп каолініту, монтморилоніту і гідрослюд.

Мінерали групи каолініту мають двошарову кристалічну решітку, яка складається із шару кремнекисневих тетраедрів і шару алюмо-киснево-гідроксильних октаедрів. Такі двохшарові “пакети” чергуються у кристалі з проміжками, надаючи йому пластинчастої будови (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема структури каолініту і монтморилоніту (за Чухровим)

Елементарна ланка кристалічної решітки електронейтральна і відповідає формулі АІ₄Si₄О₁₀(ОН)₈, але бокові поверхні кристалів, які виділяються (оголюються) при розламуванні пакетів, мають ненасичені валентності, що викликає адсорбцію іонів з оточуючого розчину. Каолініт не вбирає воду у міжпакетний простір і не володіє здатністю набухати. Відстань між пакетами каолініту становить 7,2 Ǻ (1·10^{-10 м) і є постійною.}

До мінералів типу каолініту (з двохшаровою кристалічною решіткою і діоктаедричною будовою) відносяться, крім каолініту, галуазит і метагалуазит. Галуазит відрізняється від каолініту наявністю води, яка входить до кристалічної решітки, структура його відповідає формулі АІ₄Si₄О₁₀(ОН)₈· n Н₂О, де n < 4. Якщо n = 4, то це гідрогалуазит, n = 0 – метагалуазит.

Мінерали групи монтморилоніту. Монтморилоніт характеризується тим, що його “пакети” трьохшарові і складаються із октаедричного шару (діоактаедричної будови), який міститься між двома тетраедричними (рис. 2.3).

На відміну від каолініту, міжпакетна відстань монтморилоніту змінюється, коливаючись від 9,4 до 21,4 Ǻ, варіює у залежності від кількості води, ввібраної між пакетами. Вбираючи воду, мінерал набухає, здатність його до набухання значна. Структура монтморилоніту (спрощена) відповідає формулі АІ₄Si₈О₂₀(ОН)₄· n Н₂О або АІ₂Si₄О₁₀(ОН)₂· n Н₂О, де n Н₂О – вода, яка розділяє пакети. Відношення Si:АІ у цьому мінералі становить 2:1, тоді як у каолініту 1:1.

Для мінералів групи монтморилоніту, аналогічно слюдам, характерні різноманітні ізоморфні заміщення: силіцій у тетраедричних шарах може бути частково заміщений на алюміній, а АІ³⁺ в октаедричному шарі заміщається на Fe³⁺, Fe²⁺, Mg²⁺ і інші метали.

Мінерал бейделіт відрізняється від монтморилоніту тим, що один із чотирьох іонів Si⁴⁺ його тетраедричного шару заміщений на АІ³⁺. Формула бейделіту має такий вигляд: АІ₃Si₃О₉(ОН)₃· n Н₂О. До групи монтморилоніту належить також нонтроніт з формулою Fe₂Si₄О₁₀(ОН)₃· n Н₂О, у його октаедрах іон АІ³⁺ повністю заміщений на іон Fe³⁺.

Серед глинистих мінералів у ґрунтах значне місце належить мінералам групи гідрослюд, у яку входять гідромусковіт (іліт), гідробіотит та інші гідратовані різновиди слюд. Іліт за своєю структурою близький до мусковіту, відрізняючись від цієї слюди меншим вмістом К і більшим вмістом Н₂О. Структура іліту схожа до структури монтморилоніту з тою відмінністю, що у його кристалічній решітці є багаточисельні ізоморфні заміщення: іон АІ³⁺ у октаедрах заміщується на Fe³⁺, Mg²⁺, при цьому 2АІ³⁺ заміщуються на 3Mg²⁺ (із заміщенням октаедричних пустот) або на 2Mg²⁺ (з компенсацією катіонами). Необхідність компенсації надлишкового від’ємного заряду з’являється у результаті заміщення Si⁴⁺ у тетраедрах на АІ³⁺. Компенсуючим катіоном у іліті є К, який розміщується у міжпакетних проміжках. Гідробіотит утворюється із біотиту – слюди темного кольору, у якої всі октаедричні місця зайняті Mg²⁺ і Fe²⁺ (триоктаедрична будова). До гідробіотиту близький мінерал вермикуліт.

Сучасні уявлення про кристалічну структуру глинистих мінералів одержані на основі використання таких методів: термічного, рентгенографічного, електроннографічного, електронно-мікроскопічного, інфрачервоної спектрометрії та ін.

Якщо будова вторинних мінералів – кристалічних і аморфних – у більшій мірі зрозуміла, то залишається багато нез’ясованого у процесах їх утворення. Припускають, що існують два шляхи їх утворення.

Перший шлях представляє собою поступову зміну первинних мінералів, яка приводить до нових форм кристалічних решіток. Перетворення первинних мінералів у вторинні відбувається приблизно через такі стадії:

польові шпати, слюди → гідрослюди → монтморилоніт → каолініт, галуазит → гібсит, гетит

Можливі і відхилення від цієї схеми, наприклад, польові шпати можуть перетворитись у монтморилоніт або каолініт, минувши проміжні стадії.

Виникнення вторинних мінералів може відбуватись і іншим шляхом, шляхом синтезу з кінцевих продуктів вивітрювання (розчинених чи колоїдних) при їх взаємодії і наступній кристалізації.

Стадії перетворення мінералів добре простежуються на профілях вивітрювання магматичних порід. Так, у профілі вивітрювання граніту розрізняються: а) верхня зона, яка складається із каолініту; б) середня зона, яка містить поряд із каолінітом у різній мірі гідратовані слюди, кількість яких донизу збільшується; в) нижня зона, де порода сильно розрихлена, а кількість польового шпату значна, причому спостерігається його заміщення і роз’їдання слюдою, ще нижче помітний перехід у незмінену породу.

Швидкість руйнування первинних мінералів, як і швидкість утворення вторинних, залежить від ряду умов. Окрім особливостей самого первинного мінералу (його кристалічної структури, ступеня дисперсності), а також поєднання його з іншими мінералами, характер змін первинного мінералу залежить від температури і вологості, реакції середовища (рН), умов дренажу (винесення продуктів вивітрювання), величезне значення має життєдіяльність організмів.

Основні породи руйнуються швидше, ніж кислі, тому продукти вивітрювання основних порід (як елювій базальту) у значній мірі збагачені каолінітом (одним з останніх ланок у ланцюгу перетворень), ніж продукти руйнування кислих порід (як елювій граніту). Найбільш давні ґрунти, які піддавались процесам вивітрювання і ґрунтотворення протягом тривалого часу, містять відносно багато мінералів групи каолініту, а також гібситу і гетиту.

Сухий і холодний клімат затримують руйнування мінералів, теплий і вологий – пришвидшують його. Умови промивного режиму сприяють вимиванню лугів, лужноземельних основ, кремнезему і, відповідно, утворенню каолініту і галуазиту за рахунок гідрослюд і мінералів групи монтморилоніту, які містять більше основ і SiO₂, ніж каолініт.

Рослини і мікроорганізми, у процесі життя яких відбувається постійний обмін з ґрунтовим середовищем (вбирання води, поживних речовин, оксигену, виділення продуктів життєдіяльності), вносять значні зміни у склад і властивості ґрунтового розчину (його концентрацію, реакцію, величину окисно-відновного потенціалу) і тим самим змінюють відношення між рідкою і твердою фазами ґрунту. Різні рослинні асоціації (рослинність тундри, лісу, степу і т. д.) мають свої особливості впливу на процеси перетворення мінералів.

Дата добавления: 2014-01-04