Геохимические основы классификации почвообразования

Анализ всех экспериментальных данных, касающихся динамики поведения основных элементов литосферы в процессах выветривания, позволил нам подойти вплотную к проблеме геохимического характера ведущих почвообразовательных процессов, действующих в гумидных зонах земной поверхности.

Общее распределение элементов в процессе поверхностного выветривания. Моделирование процесса выветривания в широком диапазоне экспериментальных условий при изменении физико-химической среды от нейтральной до сильнокислой позволило по динамике поведения элементов при разложении пород разделить их на две большие группы.

Первая группа включает кремнезем и катионы оснований (Na, К, Ga, Mg), которые выносились из первичных пород при всех экспериментальных условиях без исключения. Естественно, интенсивность выноса этих элементов менялась от опыта к опыту, но тем не менее они всегда входили в состав жидкой подвижной фазы выветривания. Во вторую группу прежде всего входят полуторные окислы (Al — Fe), поведение которых зависело от условий эксперимента. Если в одних случаях наблюдалось их накопление в твердой остаточной фазе, то в других эти элементы полностью выносились с фильтратом. Все эти нюансы поведения были по возможности детально освещены в предыдущих главах. Подобное разделение элементов на две группы вполне закономерно, так как оно в общем не противоречит классическим законам аналитической химии.

На фиг. 50 показаны пределы существования ионов различных элементов в растворе в зависимости от величины pH среды. Щелочная среда ограничена значением pH = 9, т. е. таким pH, который можно встретить в природе: хорошо видно, что элементы первой группы могут находиться в растворенном состоянии при значениях pH от 0 до 9. Они присутствуют в растворе или в виде катионов (Na, К, Ca, Mg) или в виде растворимых гидратов, например Si(OH)4, которые сохраняются в мономолекулярном растворе вплоть до сравнительно высоких концентраций (около 0,002 М). Элементы второй группы (Al — Fe) в средах с pH от 0 до 9 могут находиться в двух состояних: либо в виде катиона M3+ в растворе (в очень кислой среде), либо в виде нерастворимого гидроокисла M(OH)3.

Такое разделение элементов на две группы по их поведению может быть проведено и по отношению к малым элементам. Так, элементы группы цинка (FeII, MnII, Cu, Co, Ni) и группы щелочных земель (Sr — Ba) в опыте с CO2 вели себя подобно Si, Na, К, Mg и Ca, тогда как поведение элементов группы алюминия (Ti, Ga, Cr, Zr, V и др.) было аналогично поведению полуторных окислов. Таким образом, поведение катионов в процессе выветривания определяется главным образом их физико-химическими характеристиками.

Полученные данные позволили нам значительно изменить диаграмму распределения элементов Гольдшмидта, основанную на величинах ионных потенциалов z/r (отношение заряда иона к ионному радиусу), которые в какой-то степени отражают электроотрицательность каждого элемента. В результате с привлечением данных Гольдшмидта была составлена табл. 133, а затем построена диаграмма, на которой выделены три геохимические группы элементов (фиг. 51):

1. Элементы, ионный потенциал которых ниже 3, всегда находятся в растворе при всех природных значениях pH в форме катионов. При выветривании пород во влажной среде они всегда легко извлекаются и выносятся, независимо от условий среды. Это катионы оснований — Na, К, Ca и Mg.

2. Элементы, ионный потенциал которых колеблется от 3,0 до 9,5, могут существовать в виде катионов только при низких величинах pH (кислая среда); во всех других условиях они осаждаются в виде нерастворимых гидроокислов. Следовательно, их поведение в процессах разложения будет качественно различным при разных физико-химических условиях. Это амфотерные катионы по Гольдшмидту: Al, FeIII, Ti, Cr, Zr, Be и др.

3. Элементы, ионный потенциал которых выше 9,5, не существуют в виде катионов в природных условиях. Они находятся в форме анионов или растворимых гидратов, из которых наиболее важный — кремнезем. Все эти элементы высвобождаются и выносятся при процессах нормального почвообразования независимо от физико-химического характера среды выветривания. Ho, естественно, их количественное поведение может быть различным в зависимости от факторов разложения пород.

Таким образом, представление о динамике поведения различных элементов в процессах выветривания позволило наметить довольно простую схему их геохимического распределения, которая в дальнейших исследованиях служила основой для выделения различных типов почвообразовательных процессов.

Основные критерии классификации почвообразовательных процессов. Сравнение динамики поведения кремнезема и алюминия. Прежде всего следует подчеркнуть, что в основе изучения и интерпретации процессов почвообразования лежит проблема геохимического распределения различных химических компонентов при разложении пород субстрата, так как только данные о поведении элементов позволяют правильно оценить действительный характер процесса выветривания.

Тип почвенных образований определяется главным образом совместным геохимическим поведением различных катионов в процессе разложения и в особенности поведением кремнезема и алюминия, которые являются основными составляющими земной коры. Анализ экспериментальных результатов показал, что в поверхностных условиях могут существовать различные соотношения этих двух элементов, так как если кремнезем в той или иной степени всегда выносился, то окись алюминия в одних случаях могла накапливаться, а в других — выноситься в количествах, зависящих от условий выветривания.

Случай 1: вынос кремнезема происходит значительно медленнее, чем вынос окиси алюминия и оснований. Подобные соотношения SiO2 и Al2O3 наблюдались при кислом выветривании (pH 2,5) в опыте с уксусной кислотой (табл. 134). Освобожденные в процессе разложения первичных минералов кремнезем и алюминий выносились из породы одновременно. Ho так как растворение было неравновесным, то при этом образовывалась твердая остаточная фаза, прогрессивно обогащающаяся кремнеземом. Действие уксусной кислоты создавало, таким образом, особый тип выветривания, который, несомненно, напоминает процесс подзолообразования северных широт.

Такой вывод подтверждается данными Корренса и Энгельгардта, полученными при разложении ортоклаза серной кислотой н. 1000 (pH 3). Хотя гидродинамические условия этого опыта были гораздо менее интенсивными (200 см3/день), а температура более низкой (22° С), отмечалось возрастание величины отношения SiО2/Al2O3 в твердой остаточной фазе выветривания по мере уменьшения значения pH, начиная с 6 (фиг. 52). Это указывает, что специфика процессов, идущих в кислой среде, зависит не от температурных и гидродинамических особенностей, а только от физико-химических условий выветривания. Климатические факторы, таким образом, влияют лишь на скорость процессов.

Что касается роли петрографического состава пород, то, как мы уже видели, десилификация основных пород происходит тем интенсивнее, чем кислее условия их выветривания. Это означает, что в идентичных условиях процесс, сходный с подзолообразованием, будет легче развиваться на породах меньшей основности, т. е. более богатых кремнеземом. В свете этих данных становится понятным преимущественное развитие в бореальных областях процессов подзолообразования на гранитных породах.

Случай 2: вынос кремнезема с разной степенью интенсивности, но всегда превышающий вынос алюминия. Подобное соотношение SiO2 и Al2O3 наблюдалось во всех остальных опытах (с чистой водой, сероводородной и уксусной кислотами). Выветривание такого типа приводило к возникновению почвенных образований, противоположных геохимическим образованиям, возникающим при подзоловом разложении (табл. 134).

В тех случаях, когда свободный алюминий или совсем не выносился (опыт с CO2) или выносился в незначительной степени и локально (опыт с чистой водой), специфика процессов определялась динамикой кремнезема.

1. Кремнезем, извлеченный из первичных минералов при их разложении, полностью не выносился из среды выветривания. В этом случае какая-то часть кремнезема накапливалась на месте и вместе с алюминием участвовала в построении кристаллической решетки новообразованных минералов. В результате возникали Si—Al-слоистые силикаты, присутствие которых в продуктах выветривания и было причиной умеренной сиаллитизации последних. Молекулярный параметр фильтрата L = SiO2/Основания был ниже параметра R первичной породы (стр. 81), что указывает на менее интенсивный вынос кремнезема по сравнению с выносом катионов оснований. Поведение элементов в почвенном процессе такого типа можно изобразить в виде следующего ряда относительного выноса:

Al2O3 < SiO2 < Основания.

2. Кремнезем, извлеченный из первичных минералов при их разложении, полностью выносился из среды выветривания. В этих условиях накапливался алюминий (даже если часть его выносилась, как, например, в опыте с чистой водой), что приводило к новообразованию в остаточной фазе характерных минералов типа гидроокислов. Процессы, происходящие в этом случае, близко напоминают тропическую аллитизацию.

Экспериментальные работы показали, что при искусственном моделировании этого процесса параметр L фильтрата был всегда выше, чем параметр R первичной породы, т. е. в этих условиях вынос кремнезема был более интенсивным, чем вынос оснований.

Таким образом, при аллитизации вынос элементов можно охарактеризовать следующим рядом:

Al2O3 < Основания < SiO2.

Анализ материалов различных опытов, в процессе которых была воспроизведена аллитизация (табл. 122), позволил выявить следующие особенности:

1. При изменении физико-химических условий в пределах от pH 4 до pH 7 характер процессов существенно не менялся. Хотя развитие аллитного выветривания протекало более легко в присутствии CO2, когда происходило полное накопление гидроокиси алюминия, но и при действии чистой воды аллитизация проявлялась достаточно четко.

2. Климатические факторы в целом и гидродинамический фактор в особенности оказывали более существенное влияние на эволюцию процессов. При извлечении кремнезема и алюминия гидродинамика процесса играла важную роль. Если дренаж был сильным, то извлеченный кремнезем быстро и полностью удалялся из среды выветривания, где происходило, таким образом, накопление в остаточной фазе Al2O3. Подобный процесс наблюдался во всех опытах (кроме опыта с уксусной кислотой), даже когда фильтрация была малоинтенсивной и составляла приблизительно 400 см3/день. Наоборот, при медленном дренаже извлеченный кремнезем выносился менее интенсивно, и поэтому в среде выветривания возникала некоторая концентрация кремнезема в контакте с алюминием. Если бы величина этой концентрации достигла предела, необходимого для образования слоистых силикатов, можно было бы ожидать кристаллизации глинистых минералов (каолинита, иллита и др.). По-видимому, для каждой породы существует предельная интенсивность дренажа, при которой происходит наименьший вынос свободного кремнезема, обеспечивающий развитие процесса аллитного выветривания. Если этот предел интенсивности не достигается, идет процесс сиаллитизации.

3. Как уже отмечалось выше, в одинаковых физико-химических, температурных и гидродинамических условиях высвобождение SiO2 из первичных минералов и его вынос идет тем интенсивнее, чем ниже содержание кремнезема в первичной породе, т. е. чем выше ее основность. Этим объясняется тот факт, что в природе процессы аллитизации и сиаллитизации гораздо легче развиваются на основных (габбро, долериты, базальты и др.), чем на гранитных породах.

Значение полученных данных для интерпретации процессов почвообразования. Данные, полученные при экспериментальном исследовании явлений выветривания во влажных условиях, заставляют нас резко противопоставлять процессы подзолообразования и аллитизации как с точки зрения факторов разложения (активных или пассивных), так и с точки зрения динамики поведения элементов и эволюции минерального состава.

Факторы выветривания. Если рассмотреть активные факторы разложения, то можно отметить, что процесс подзолообразования зависит от физико-химических условий (кислая среда), тогда как термодинамические (климатические) факторы влияют лишь на скорость развития этого процесса. И наоборот, именно гидродинамические и температурные условия в присутствии чистой воды или воды с CO2 направляют развитие аллитного процесса. Это значит, что подзолообразование может осуществляться в любых климатических условиях. Для этого необходимо наличие фильтрации кислых вод, тогда как развитие аллитного процесса требует сочетания определенных температурных условий и дренажа. Поэтому подзолообразование нельзя рассматривать как строго зональное явление, в то время как аллитизация бесспорно зональна. По этой причине подзолы можно встретить не только в условиях умеренного влажного климата, но и в тропиках, тогда как латеритные образования никогда не наблюдаются в северных широтах.

Если обратиться к пассивным факторам, то можно заметить, что первичные породы основного состава (типа базальта) благоприятствуют развитию процесса аллитизации, но тормозят и даже препятствуют образованию подзолов. Кислые породы (типа гранита) благоприятствуют развитию подзолов и затрудняют латеритное выветривание. В свете вышеизложенного становится понятным, почему на поверхности Земли образование подзолов представляет собой сравнительно локальное явление даже в пределах бореальной зоны, единой с точки зрения физико-химических и климатических условий, тогда как аллитизация в некоторых тропических областях развивается повсеместно.

Геохимическое поведение (табл. 135). Поскольку динамика поведения кремнезема одинакова как при образовании подзолов, так и при аллитизации (полный вынос), то отличие этих процессов определяется поведением алюминия. Так, например, алюминий, входивший в состав первичных минералов, в процессе их разложения полностью выносился из зоны выветривания при эволюции подзолового типа, в то время как в случае аллитного преобразования первичной породы он в основном накапливался. Отметим, что различие процессов аллитизации и сиаллитизации также определяется поведением кремнезема. В этом случае SiO2 мог выноситься в различной степени в зависимости от конкретных гидродинамических условий-тогда как поведение алюминия в обоих случаях было одинаковым (накопление).

Эволюция минерального состава. Конечно, накопление того или иного элемента в поверхностной зоне выветривания в обоих случаях было относительным, так как оно было результатом выноса других химических компонентов. По нашим данным, намечается два типа накопления:

1. В горизонте выветривания, обогащенном кремнеземом, накопление представляет собой переходную стадию процесса подзолообразования. В этом случае остаточный кремнезем продолжает выноситься в такой же степени, как и первичный. Кремнистый горизонт, таким образом, является генетически нестабильным по отношению к условиям того же самого выветривания и не соответствует окончательной стадии изменения исходного вещества. Процесс выноса вещества из этого горизонта будет происходить вплоть до полного растворения первичных минералов.

2. В горизонте остаточных кристаллических гидроокислов алюминия наблюдается истиннее равновесие; новообразованные минералы очень устойчивы в условиях аллитного выветривания. Поэтому гиббситовый горизонт, когда из него вынесен весь кремнезем и катионы оснований, представляет собой конечную стадию эволюции почвообразования (почвенный климакс).

Таким образом, с точки зрения понятия «накопление» процессы подзолообразования и аллитизации также отличны.

Обзор полученных данных позволил наметить ряд важных и характерных черт процесса почвообразования в гумидных условиях. Остается рассмотреть влияние поведения железа на характер процессов формирования почв.

Железо и его роль в формировании основных типов почв. В почвоведении часто рассматривают железо в качестве существенного компонента; это связано прежде всего с тем, что выделение гидроокислов железа в поверхностных образованиях представляет довольно частое явление. Кроме того, железо представляет несомненный интерес из-за своей химической близости к алюминию, с которым оно постоянно ассоциирует (полуторные окислы).

В результате проведенных опытов были получены данные, позволяющие осветить динамику поведения этих двух элементов в различных экспериментальных условиях. Все это позволило уточнить роль железа в почвообразовании.

Сравнительное изучение поведения железа и алюминия. Табл. 136 представляет собой сводную диаграмму всех экспериментальных данных, касающихся поведения железа и алюминия. Хорошо видно, что железо и алюминий не обнаруживают постоянной и обязательной «параллельности» поведения; в то же время различия в их поведении, если они наблюдаются, могут быть как качественными, так и количественными.

1. В присутствии слабых кислот, в инертной или восстановительной среде (угольная и сероводородная кислоты) поведение железа и алюминия диаметрально противоположно. Алюминий, нечувствительный к окислительно-восстановительным условиям среды, полностью накапливается, что является одним из следствий быстрого и немедленного гидролиза карбонатов и сульфидов. Напротив, закисное железо, как первичное, так и образовавшееся при восстановлении трехвалентного железа (в опыте с H2S), выносится в большом количестве в соответствии с величиной растворимости его солей.

2. В других условиях эти два элемента (Al и Fe) ведут себя качественно аналогично, но количественно по-разному. В сильнокислой среде (pH 2,5) алюминий и железо выносятся одновременно, даже в аэрируемой обстановке. Ho Al выносится гораздо сильнее, чем Fe (в 2,8 раза по весу), что, по-видимому, объясняется тем, что уксусная кислота немного сильнее иона Al3+ и немного слабее иона Fe3+ (табл. 137). В противоположность этому в нейтральной аэрируемой среде (pH 6,0) алюминий и железо накапливаются в твердой остаточной фазе выветривания. Ho если сохранение на месте железа было полным независимо от термо-гидрологических условий, то накопление алюминия заметно увеличивалось по мере понижения интенсивности дренажа. Количественное различие в поведении этих двух элементов зависит не от физико-химических факторов, а главным образом от кристаллохимических особенностей: почти весь первоначальный алюминий находился в тетраэдрических положениях и был связан с кремнеземом. Таким образом, Al в процессе гидролитического выветривания проявлял тенденцию следовать за SiO2 в более или менее замаскированном состоянии. Напротив, Fe3+, которое чаще всего находилось в октаэдрических положениях, характеризовалось динамикой поведения, тесно связанной с физикохимическими условиями среды.

В конечном счете совместное поведение алюминия и железа зависит от ряда условий: от pH среды, от окислительно-восстановительного потенциала и, наконец, от кристаллохимических особенностей этих элементов при взаимодействии с различными другими факторами (Eh, температура среды, дефекты кристаллической решетки и др.).

Если рассмотреть только физико-химическую сторону проблемы, то можно набросать в общих чертах следующую картину:

1. В аэрируемой среде в процессе выветривания железо находится в трехвалентном или двухвалентном состоянии. Исследование области существования катионов Fe3+ и Al3+ в зависимости от pH позволяет выделить 4 зоны, из которых 3 обычно встречаются в природных условиях.

Зона I. Железо и алюминий находятся в виде катионов, которые могут одновременно выноситься (опыт с уксусной кислотой).

Зона II. Fe выпадает в осадок в виде гидратов, тогда как Al еще находится в растворе.

Зона III. Железо и алюминий оба нерастворимы, находятся в виде гидроокислов (опыт с водой).

2. В восстановительной среде трехвалентное железо в процессе разложения редуцируется полностью, так что мы имеем дело только с двухвалентным железом. В этом случае по значениям pH также можно выделить 4 зоны, из которых важны следующие три (фиг. 54):

Зона А. Оба элемента — Al и Fe — находятся в виде катионов и мигрируют одновременно.

Зона В. Al выпадает в осадок в форме гидроокисла, тогда как Fe2 + еще остается в растворе (опыты с H2S и даже с CO2).

Зона С. Существует только для концентраций выше 10в-4 М): как алюминий, так и железо теряют подвижность и выпадают в виде гидроокислов.

Если совместить диаграммы фиг. 53 и фиг. 54, то можно установить поля идентичного поведения этих двух элементов, не зависящие от окислительно-восстановительных условий среды: ниже pH 2,2 (одновременный вынос) или выше pH 7,7 (совместное накопление) (фиг. 55). Во всех других случаях (2,2 < pH < 7,7), которые могут встретиться в природе, динамика поведения железа и алюминия зависит от окислительно-восстановительного потенциала среды.

Значение для почвообразования. Обобщение полученных экспериментальных данных показывает, что в зависимости от физико-химических условий (pH — Eh) среды разложения поведение железа и алюминия может быть либо одинаковым, либо совершенно различным. Этот факт представляет существенный интерес для определения основных типов почвообразовательных процессов.

Как мы уже видели, главный критерий, позволяющий охарактеризовать явление разложения алюмосиликатных пород, базируется в значительной степени, если не сказать полностью, на динамике поведения кремнезема и алюминия. Как же ведет себя железо в различных случаях? Попытаемся разобрать этот вопрос на двух примерах (табл. 138).

Свободные кремнезем и алюминий полностью выносятся. Процесс разложения под действием уксусной кислоты, который моделировался в аэрируемой среде, напоминает по своему характеру подзолообразование. Такой процесс может происходить с различной степенью интенсивности, начиная от очень кислых условий до pH около 5. При этом могут возникнуть два случая:

а. При pH растворов выветривания ниже 3,5 железо чаще всего следует в своем поведении за алюминием. В этом случае постепенно возникает кремнистый горизонт, нацело лишенный алюминия и железа; в природных условиях он соответствует пеплоподобному горизонту подзолистых почв. Морфологически в конце концов должен образоваться настоящий подзол.

б. При более высоком pH поведение FeIII отличается от поведения алюминия. Железо накапливается на месте в виде гидроокисла. В этом случае вскоре возникает аллювиальный горизонт, полностью лишенный алюминия, но обогащенный остаточным кремнеземом и окисным железом. С морфологической точки зрения он будет соответствовать почве типа подзоловой охры. Подобные образования тем лучше развиваются, чем выше окислительные свойства среды, так как в восстановительных условиях закисное железо при таких pH было бы вынесено вместе с алюминием (фиг. 54).

Таким образом, в зависимости от поведения окисного железа образуются два морфологически различных типа почв, хотя оба типа характеризуются одной и той же подзоловой направленностью развития, если исходить из динамики поведения кремнезема и алюминия.

Следовательно, при определении особенностей процессов подзолообразования нельзя основываться только на чисто морфологических критериях, обусловленных поведением железа. В этом смысле необходимо использовать гораздо более важные геохимические данные о поведении всех главных химических компонентов.

Кремнезем полностью выносится, алюминий полностью накапливается в продуктах выветривания. Этот тип эволюции пород осуществлялся в ряде экспериментов (pH от 4,0 до 6,0); он представляет собой модель выветривания аллитного типа.

В аэрируемой среде при действии чистой воды высвобождающееся из минералов железо окисляется и немедленно выпадает в осадок на месте, так же как и алюминий, в форме гидроокислов. Эти два элемента характеризуются идентичным поведением и совместно накапливаются в горизонте разложения, который через некоторое время будет состоять исключительно из новообразованных гидратов. Таким образом, ожелезнение настолько тесно переплетается с аллитизацией, что процесс получил название ферраллитного.

В среде, лишенной кислорода, в присутствии воды с CO2 закисное железо полностью выносится, т. е. его поведение абсолютно противоположно поведению алюминия. В конечном итоге в такой обстановке формируется элювиальный горизонт, состоящий исключительно из гидроокислов алюминия (опыт с CO2). Такое образование можно назвать латеритным бокситом. Чем более восстановительной будет среда выветривания, тем меньше железа останется в латеритном горизонте.

Следовательно, и в этом случае нельзя давать характеристику процессам, основываясь лишь на поведении железа, так как только совместное поведение кремнезема и алюминия определяет специфику аллитного выветривания.

Выводы. Алюминий и железо, которые часто объединяют под названием полуторных окислов, характеризуются сходной динамикой поведения при почвообразовательных процессах только при совершенно определенных условиях (табл. 138), а именно: эти элементы выносились (полное подзолообразование) тем лучше и полнее, чем более кислой и восстановительной была среда выветривания; они оставались на месте в виде продуктов выветривания в форме свободных гидроокислов (процесс ферралитизации), если среда была окислительной.