ПОХОДЖЕННЯ МІНЕРАЛЬНОЇ ЧАСТИНИ ҐРУНТУ. ЇЇ СКЛАД ТА АГРОНОМІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ
2.3.1. Вивітрювання та його значення для розвитку родючості ґрунту
2.3.1.1. Гірські породи - основа материнських порід ґрунтів
Ґрунти утворюються з поверхневого шару гірських порід при поселенні на них організмів та розвитку біологічних процесів. Породи, з яких розвинулись ґрунти, називаються ґрунтотворними, або материнськими. З курсу геології відомо, що гірські породи діляться на три групи: магматичні, або вивержені, осадові та метаморфічні.
Магматичні породи утворились із силікатних розплавів (магм), які затверділи в глибоких шарах земної кори (породи які називаються глибинними або інтрузивними), чи при виверженні на поверхню (породи виливні або ефузивні). Ці породи мають кристалічну чи прихованокристалічну будову, переважно щільну, масивну текстуру, тому їх називають масивнокристаліч-ними (граніт, пегматити, дуніти та ін.). Магматичні породи складають 95% від загальної маси порід літосфери, але ґрунтотворними ці породи бувають рідко, головним чином в гірських областях або при виході на поверхню на території кристалічних щитів (наприклад, у Житомирському Поліссі).
Метаморфічні породи - це вторинного походження масивно-кристалічні породи, що утворились з магматичних чи осадових порід в надрах Землі в результаті глибоких перетворень (метаморфізму) в умовах високих температур та тиску при опусканні ділянок земної кори чи на контакті з магмою. До цих порід належать гнейси, сланці, мармур та ін. їх значення для ґрунто-творення дуже мале.
Поверхня суші земної кулі на 75% покрита осадовими породами. Це відклади продуктів вивітрювання масивнокристалічних порід чи залишків (скелетів, панцирів) різноманітних організмів. Осадові породи поділяються на уламкові, хімічні осади та біогенні (органогенні). Найбільш поширені серед ґрунтотворних порід уламкові (піски, пісковики, пилуваті або лесові породи, глини, конгломерати, брекчії та ін.). Хімічні та біогенні породи також відіграють важливу роль в ґрунтоутворенні, особливо карбонатні відклади - вапняки, мергелі, доломіти, крейда.
Осадові породи нерідко поділяють на древні (дочетвертинні) та сучасні (четвертинні). Древні породи з часом значною мірою втратили пухкість, пористість і є переважно щільними породами. Тому їх нерідко об'єднують з масивно-кристалічними дочетвертинними або корінними породами. Молоді осадові породи утворилися в четвертинний період внаслідок вивітрювання корінних порід та перевідкладення продуктів їх руйнування водою, вітром, льодом. Формування цих порід не припиняється і в наш час. На відміну від щільних порід вони мають сприятливі для ґрунтотворення властивості: пухке складення, пористість, водопроникність, водоутримуючу та вбирну здатність.
Види вивітрювання та їх вплив на розвиток елементів родючості ґрунту
Формування ґрунтотворних порід пов'язане з процесами вивітрювання гірських порід, переносом та перевідкладенням продуктів цього вивітрювання. Магматичні та інші гірські породи, що утворилися в термодинамічних умовах, які відрізняються від тих, що панують на земній поверхні, при виході на поверхню починають швидко руйнуватись. Процес механічного руйнування та хімічної зміни гірських порід, що вийшли на земну поверхню, а також мінералів, що входять до складу цих порід, називається вивітрюванням.
Найбільшою мірою вивітрювання викликане біологічними та біохімічними процесами, які протікають в гірських породах під впливом організмів, а також термічними умовами земної поверхні, дією атмосферної вологи та газів, особливо С02, 02, що мають біогенне походження. Всі ці фактори діють на породу одночасно.
За характером переважаючого фактора прийнято розрізняти три основні форми вивітрювання: фізичне, хімічне та біологічне. Такий поділ дуже умовний, оскільки будь-яка зміна хімічного складу породи супроводжується зміною і її фізичних властивостей. В свою чергу хімічне вивітрювання є результатом дії на породу біогенного кисню, вуглекислоти, інших продуктів життєдіяльності організмів, тобто є по суті біологічним.
Фізичне вивітрювання - це процес механічного руйнування гірських порід на уламки різного розміру без зміни хімічного складу мінералів, що входять до складу породи. Як і всі тверді тіла, мінерали та гірські породи при нагріванні розширюються, а при охолодженні - стискуються. В результаті періодичних стискувань та розширень зчеплення між зернами мінералів у породах слабшає. Темні мінерали нагріваються більш, ніж світлі. У полімінеральних порід, наприклад у гранітів, коефіцієнти об'ємного розширення різних мінералів - різні, наприклад у кварцу 0,00031, а в ортоклазу 0,00017. Завдяки цьому, породи розкришуються на мінеральні зерна.
Найбільший вплив на гірські породи мають добові зміни температури повітря, особливо в районах з континентальним кліматом. В тріщини, які виникають в породі під впливом нагрівання та охолодження, проникає вода, створюючи там капілярний тиск близько 1,5 кг/см2 при розмірі тріщин 1 мікрон. Взимку, коли вода в тріщинах замерзає, то вона збільшується в об'ємі в 1,1 рази, що також сприяє розтріскування породи.
Цілком зрозуміло, що вивітрювання найбільш інтенсивно відбувається в областях з сильним нагріванням чи охолодженням поверхні порід - в полярних та субтропічних пустелях в високогірних районах. В результаті фізичного вивітрювання гірська порода набуває нової якості - вона стає проникною для води. Фізичне вивітрювання, подрібнюючи щільні породи, значно підвищує їх питому поверхню, що створює сприятливі умови для хімічного вивітрювання.
Під хімічним вивітрюванням розуміють хімічну зміну мінералів гірських порід та утворення нових мінеральних сполук, більш стійких в умовах поверхні Землі. Найважливішими факторами цього процесу є вода, вуглекислий газ, кисень. Розклад мінералів водою підсилюється з підвищенням температури та насиченням її вуглекислим газом, який надає їй кислої реакції. Підвищення температури на кожні 10°С прискорює швидкість хімічних реакцій в 2-2,5 рази. Саме цим пояснюється інтенсивне хімічне вивітрювання в екваторіальних областях земної кулі, а в полярних - сповільнене. Навіть вода, що незначною мірою дисоційована на іони, слабомінералізована, може повністю розчинити гірські породи, наприклад галоїди, деякі сульфати. Досить інтенсивно розчиняються в насиченій вуглекислотою воді карбонатні породи: вапняки, доломіти, мергелі.
З дією води, збагаченої газами та органічними кислотами пов'язані не лише процеси розчинення, але й гідроліз, окислення - відновлення, гідратація та інші більш складні процеси. Прикладом розчинення може бути така реакція:
СаС03 + С02 + Н20 = Са(НС03)2
Гідроліз полягає в заміщенні катіонів лужних та лужноземельних металів в кристалічній гратці мінералів воднем:
KAlSi308 + Н20 — HAlSi308 + КОН
ортоклаз польово-шпатна кислота
Основа КОН обумовлює лужну реакцію розчину, при якій відбувається глибше руйнування кристалічної ґратки ортоклазу. КОН при наявності С02 утворює карбонат:
2КОН + С02 = К2С03 + Н20
Процеси гідролізу відіграють велику роль при каолінізації польових шпатів при дії на них водяних парів та вуглекислоти у повітрі:
KAlSi3Os + пН20 + С02 -> К2С03 + АІ203-2 Si02-2H20 + Si02-nH20
ортоклаз поташ каолініт опал
Як бачимо, первинний мінерал ортоклаз, що входить до складу гранітів та інших порід дає при хімічному вивітрюванні цілу низку вторинних мінералів. При цьому такий важливий елемент живлення, як калій переходить у розчинну, доступну для рослин форму.
З дією води пов'язана також гідратація - процес приєднання молекул води до мінералів:
2Fe203 + ЗН20 = 2Fe203-3H20
гематит лімоніт
Гідратація спричиняє розпушування поверхні мінералів, що підсилює подальші процеси їх руйнування.
Широке поширення в зоні вивітрювання має окислення, якого зазнають численні мінерали, що містять закисне залізо чи інші здатні до окислення елементи:
2FeS2 + 702 + 2Н20 = 2FeS04 + 2H2S04;
12FeS04 + 6Н20 + 302 = 4Fe2(S04)3 + 4Fe(OH)3;
2Fe(S04)3 + 9H20 = 2Fe203-3H20 + 6H2S04.
Сірчана кислота, яка при цьому утворюється, бере участь в утворенні мінералів. Наведені вище реакції пояснюють чому над покладами сульфідів у вигляді червонувато-бурої кірки, або «залізного капелюха» залягає лимоніт.
В тих випадках, коли при вивітрюванні має місце нестача вільного кисню, розвивається процес відновлення. Наприклад, в умовах болотного середовища окисні сполуки заліза переходять в закисні (FeO) і утворюються гідрати закису зеленуватого кольору. Сизо-зелена чи сиза глиниста маса, яка підстилає торфи, називається глеєм, а процес виникнення глею називається оглеєнням.
В результаті хімічного вивітрювання руйнуються кристалічні ґратки мінералів, збільшується рухомість і доступність для рослин деяких макро- та мікроелементів їх живлення. При утворенні глинистих мінералів дуже зростає вбирна здатність порід та ґрунтів, що на них формуються. Крім того, в результаті хімічного вивітрювання гірська порода перетворюється на пористе тіло, що має капілярні властивості і здатність утримувати воду силами поверхневого натягу.
В результаті вивітрювання магматичних порід утворюються продукти трьох типів: залишкові утворення, перевідкладені осади та розчинні солі. Як показав ще О.Е.Ферсман, в процесі вивітрювання відбувається збагачення поверхневих осадових порід СаО та С02 (карбонатизація):
4MgSi03 + Н20 + С02 = H2Mg3(Si03)4 + MgCOs
тальк
Зростає вміст Fe203 та Н20 (гідратація). Накопичення цих продуктів вивітрювання підлягає закону зональності. Разом з тим відбувається зниження вмісту Na20 і частково MgO в корі вивітрювання, внаслідок переходу цих сполук до гідрографічної мережі, океану чи накопичення їх в безстічних ділянках суші.
Біологічним вивітрюванням називають процес механічного руйнування та хімічної зміни мінералів гірських порід під безпосереднім впливом організмів, що поселяються на породах, а також продуктів їх життєдіяльності та продуктів розкладу органічних решток. Біологічне вивітрювання - це основна форма вивітрювання, що зокрема має місце і при утворенні ґрунту. При біологічному вивітрюванні організми вилучають з породи необхідні для побудови їх тіла мінеральні речовини і акумулюють їх в поверхневих горизонтах породи, створюючи умови для формування ґрунту.
Розклад гірських порід здатні виконувати багато мікроорганізмів, особливо автотрофні бактерії - хемосинтетики, зокрема нітрифікуючі бактерії, що утворюють сильну мінеральну (азотну) кислоту.
Розклад алюмосилікатів, зокрема польових шпатів (мікрокліну) та каолініту здатні здійснювати сапрофітні бактерії. В результаті їх життєдіяльності в середовищі з'являються кремнекислота та глинозем.
Існують особливі силікатні бактерії, що мають здатність руйнувати алюмосилікати, наприклад Bacillus extorquens, який особливо енергійно розкладає слюди. М.АТлазовська ще в 1950 році показала, що синьо-зелені водорості енергійно руйнують поверхню гірських порід. Але особливо велику роль в таких процесах відіграють діатомові водорості (Diatomeae), які вилучають з алюмосилікатів кремнезем для побудови свого кістяка - двохстворчастого панциря.
Дуже сильну руйнуючу дію на гірські породи чинять лишайники, котрі здатні виділяти не лише вуглекислоту, але й специфічні лишайникові кислоти. Руйнування порід підсилюється після зміни лишайників мохами, що затримують багато вологи. Гриби роду Penicillium виділяють речовину, яка руйнує первинні мінерали. Як лишайники, так і гриби не тільки хімічно, а й механічно руйнують породи, внаслідок проникнення гіфів по площинах спайності первинних мінералів.
Тварини, як і рослини, механічно розпушують гірські породи, впливають на них своїми виділеннями.
