Первинні мінерали. Вторинні мінерали

Первинні мінерали

Первинні мінерали є залишковим матеріалом після руйнування й вивітрювання магматичних порід. Представлені відносно крупними піщаними й гравійними частинками. Мають жорстку нерухому кристалічну решітку, практично не володіють вологоємністю, фізико-хімічною поглинальною здатністю, не набухають. При грунтоутворенні відрізняються нестійкістю, поступово руйнуються, за винятком окремих найбільш стійких. Склад первинних мінералів грунту мало залежить від особливостей грунтотворного процесу, а в основному – від особливостей материнської породи.

Багатство грунту первинними мінералами говорить про його відносну молодість. З часом уміст і число видів первинних мінералів поступово зменшуються, залишаються найбільш стійкі до вивітрювання, такі як кварц. Найбільш розповсюдженими первинними мінералами в породах та грунтах є кварц (SiО₂, 40-60% і більше), польові шпати (до 20%), зокрема, ортоклаз; амфіболи, піроксени й слюди. Кварц і польові шпати крупнозернисті, тому що вивітрювання їх іде повільно, вони формують піщану і пилувату фракцію ЕГЧ. Амфіболи, піроксени, слюди легко вивітрюються, в грунті їх досить мало у вигляді дрібних кристалів у дрібніших фракціях.

Стійкість до вивітрювання визначається природою мінералів, їх кристалічною структурою. Первинні мінерали володіють структурами іонного типу, іони в кристалах мінералів розташовані у вигляді геометрично правильної просторової решітки, що називається кристалічною, специфічної для кожного мінералу. Взаємне розміщення катіонів та аніонів у кристалічній решітці обумовлюється їх об'ємами або радіусами. Кількість іонів протилежного знака, що оточують даний іон, називається координаційним числом. Чим більший радіус іона, тим більше навколо нього може розміститися протилежно заряджених іонів, без взаємного, дотику. Координаційне число визначає форму оточення, або координацію навколо іона, а значить, і основний елемент структури, характер елементарної чашечки мінералу. Координація трикутника має координаційне число 3; тетраедра – 4; октаедра – 6; куба – 8.

Головним елементом структури одних із найбільш розповсюджених у грунті кисневих сполук кремнію є кремній-кисневий тетраедр, біля вершини якого розміщуються чотири іони кисню, а в центрі – іон кремнію (рис. 9).

Рис. 9. Кремній-кисневий тетраедр

різні види зображення:
а – умовне;
б – із врахуванням розміру іонного радіуса

Сполучаючись між собою, тетраедри утворюють такі типи структур:

1. каркасну (польові шпати, кварц);
2. ланцюгову (піроксени);
3. листоподібну (слюди, глинисті мінерали);
4. стрічкову (амфіболи);
5. острівну (олівіни).

Кварц

Кварц – найбільш розповсюджений мінерал земної кори; він міститься у вивержених, метаморфічних і осадових породах. Кристалохімічна структура кварцу – кремній-кисневий тетраедр, який з іншими з'єднується в суцільний каркас (рис. 10, а).

Рис. 10. Типи кристалічних структур породотворних мінералів

а – кремній-кисневі тетраедри, з'єднані в трьохмірний каркас (структура кварцу);
б – з'єднані в плоскі листки (слюди);
в – з'єднані в подвійні ланцюжки (амфіболи);
г – з'єднані в ланцюжки (піроксени)

Така структура кварцу зумовлює його високу стійкість до процесів вивітрювання. Як правило, в корі вивітрювання зерна кварцу залишаються цілими або тільки кородованими по периферії.

Польові шпати

Польові шпати утворюють групу розповсюджених мінералів (біля 50%). Їх кристалічна структура являє собою складний каркас, утворений тетраедрами з іонами кремнію й алюмінію, розташованими всередині. Тетраедри з'єднуються катіонами лугів (калію, натрію) та кальцію, утворюючи структуру, подібно до кварцу (рис. 10, а).

Слюди

Слюди складають біля 4% літосфери. Вони володіють шаруватою кристалічною структурою (рис. 10, б): плоскі шари тетраедрів, звернені вершинами один до одного, зв'язані з іонами алюмінію; з останніми з'єднані також гідроксильні групи. Так утворюються трьох-шарові пакети, зв'язані між собою іонами калію. Проте слюди при вивітрюванні легко втрачають ці іони і швидко руйнуються. 

Піроксени й амфіболи

Піроксени й амфіболи розповсюджені в магматичних і метаморфічних породах (біля 16% літосфери). Кристалічна структура являє собою ланцюжки тетраедрів (рис.10, в, г).

Олівіни

Олівіни в значній кількості містяться в ультраосновних і частково в основних магматичних породах. Кристалічна структура мінералів цієї групи характеризується ізольованими тетраедрами, які з'єднуються іонами заліза й магнію. Олівін дуже нестійкий і швидко руйнується.

Вивчення первинних мінералів проводять за допомогою оптичної діагностики із застосуванням поляризаційного мікроскопа й бінокулярної лупи. Від кількості первинних мінералів залежать агрофізичні властивості грунтів; вони є резервним джерелом елементів живлення рослин, від їх кількості залежить формування вторинних мінералів.

Вторинні мінерали

Вивітрювання – це не просто руйнування мінералів, а складний процес, при якому частина первинних мінералів повністю руйнується, частина – перетворюється в нові вторинні (гіпергенні) мінерали. Загальними властивостями вторинних мінералів є їх висока дисперсність, аморфна чи приховано кристалічна структура, значна частина їх знаходиться в колоїднодисперсному стані. Багато вторинних мінералів, на відміну від первинних, володіють рухомою кристалічною решіткою, колоїдними властивостями, розвиненою поглинальною здатністю, можливістю сорбувати (поглинати) воду й набухати. Ці особливості передаються грунтам. Серед вторинних мінералів розрізняють:

• прості солі,
• гідроксиди й оксиди та
• глинисті мінерали.

Мінерали простих солей

Мінерали простих солей утворюються при вивітрюванні первинних, а також унаслідок грунтотворного процесу. До таких солей належать:

• кальцит (СаСО₃),
• магнезит (MgСО₃),
• доломіт [Ca,Mg(СО₃)],
• сода (Na₂CО₃·10H₂O),
• гіпс (CaSО₄·2H₂O),
• галіт (NaCl),
• мірабіліт (Na₂SO₄·10H₂O),
• фосфати та інші.

Ці мінерали здатні накопичуватись у грунті у великих кількостях в умовах сухого клімату, зумовлюючи засолення грунтів.

Мінерали гідроксидів і оксидів

Мінерали гідроксидів і оксидів – це гідроксиди кремнію, заліза, алюмінію, марганцю, які перетворилися в аморфні форми при вивітрюванні первинних мінералів. У процесі дегідратації й кристалізації перетворюються в кристалічні оксиди та гідроксиди. Так, гідроксид кремнію в процесі старіння переходить у твердий гель-опал з умістом води 2-3%. Потім, втрачаючи воду, – у кристалічні форми халцедону й кварцу.

Гідрати півтораоксидів (R₂О₃·nH₂О), кристалізуючись, утворюють вторинні мінерали: беміт, гібсит, гематит (Fe₂О₃), гетит (Fe₂О₃·H₂О), лимоніт. Ці мінерали зустрічаються в невеликих кількостях у багатьох грунтах. Аморфні півтораоксиди поглинають багато фосфору й роблять його недоступним для рослин (процес ретроградації фосфору), беруть участь у структуроутворенні.

Глинисті мінерали

Глинисті мінерали є вторинними алюмосилікатами із загальною хімічною формулою mSiО₂·Al₂О₃·nH₂О і характерним співвідношенням SiО₂:Al₂О₃, що змінюється від 2 до 5. Глинисті мінерали утворюються в результаті синтезу з простих продуктів вивітрювання первинних мінералів, шляхом поступової їх зміни у процесі гіпергенезу. Найбільш поширеними в грунтах є мінерали групи

• каолініту,
• монтморилоніту,
• гідрослюд, хлоритів,
• змішано шарових мінералів.

Глинисті мінерали мають загальні властивості:

• шарувату кристалічну будову,
• високу дисперсність,
• поглинальну здатність,
• наявність хімічно зв'язаної води.

Але кожна група мінералів має специфічні властивості й значення для родючості.

Мінерали каолінової групи (каолініт, галуазит) мають найменше співвідношення SiО₂ до Al₂О₃ = 2, формула 2SiО₂·Al₂О₃·nH₂О. У грунтах зустрічаються у малій кількості (виключення – фералітні грунти, де каолініт є головним глинистим мінералом). Кристалічна решітка – двошарова з постійною відстанню між пакетами, нижній шар складається з кремній-кисневих тетраедрів, верхній – із алюмо-киснево-гідроксильних октаедрів (рис. 11, а).

Рис.11. Схема кристалічної структури каолініту (а) й монтморилоніту (б)

Ці мінерали не набухають, володіють незначною дисперсністю, ємність поглинання не перевищує 20 мг-екв на 100 г. Переважання каолініту в грунтах є ознакою бідності на основи. Каолініт – один із кінцевих продуктів вивітрювання первинних силікатів, досить розповсюджений у стародавній корі вивітрювання.

Мінерали монтморилонітової групи. До цієї групи мінералів належать монтморилоніт, нонтроніт, бейделіт. Співвідношення SiO, до Al₂О₃ = 4, формула 4SiO₂·Al₂О₃·nН₂O. Кристалічна решітка – тришарова, рухома, нижній і верхній шар представлені тетраедрами, а між ними укладений шар алюмо-киснево-гідроксильних октаедрів (рис. 11, б). До неї легко проникає вода, ввібрані основи. Ці мінерали у вологому стані сильно набухають, а у сухому – стискуються (при цьому грунт ущільнюється й розтріскується), володіють значною дисперсністю, ємність поглинання складає 80-120 мг-екв на 100 г, містять значну кількість колоїдів та недоступної рослинам води. Можуть утворювати з гуміновими кислотами водостійкі грунтові агрегати.

Гідрослюди (гідромусковіт, гідробіотит) є джерелом калію в грунтах. Його вміст в гідрослюдах типу іліту сягає 6-7%. Належать до тришарових мінералів, зв'язок між пакетами міцний, тобто кристалічна структура ніби займає перехідне положення між слюдою й монтморилонітом. Хімічний склад змінний. Ємність поглинання становить 45-50 мг-екв на 100 г.

Хлорити. Належать до чотиришарових мінералів. За походженням можуть бути як первинними, так і вторинними. Мають кристалічну решітку, що не набухає; містять залізо, магній. За даними деяких дослідників, із цими мінералами пов'язана гідролітична кислотність, оскільки вони в міжшарових проміжках містять полімерні іони гідроксиду алюмінію.

Аналізуючи поширення глинистих мінералів у грунтах, відзначимо, що одні й ті ж мінерали можна знайти в різних типах едафотопів, і різні мінерали – в одному й тому ж типі.