Основным способом изучения первичных минералов почв является их оптическая диагностика с помощью поляризационного микроскопа и бинокулярной лупы (иммерсионный и шлифовой методы, заимствованные из практики геологических исследований) Диагностика преобладающих первичных минералов во всей массе почвенного образца может быть проведена в шлифах, изготовляемых для микроморфологического изучения почв.

Однако ввиду резкого преобладания в составе первичных минералов кварца и полевых шпатов, а также присутствия глинистых минералов, особенно значительного в тяжелых по гранулометрическому составу почвах, диагностика и тем более количественный подсчет первичных минералов, содержащихся в небольших количествах, во всей массе мелкозема затруднены и не всегда достоверны. В связи с этим,  прибегают к дополнительному способу подготовки образцов к анализу Он состоит в том, что выделенные отмучиванием отдельные гранулометрические фракции (ча­

ще всего в интервалах 0,25—0,05 и 0,05—0,01 мм как наиболее богатые минеральными видами и оптимальные для изучения под микроскопом) разделяются с помощью жидкости большой плотности (например, бромоформа с плотностью 2,8—2,9) еще на две фракции. В одной из них оказываются кварц, полевые шпаты, карбонаты, часть слюд и хлоритов — так называемые легкие минералы или легкая фракция (плотность < 2,8), в другой — все остальные минералы в виде концентрата, так называемые тяже­

лые минералы или тяжелая фракция (плотность > 2,8— 2,9). Содержание тяжелых минералов в % от массы отдельных гранулометрических фракций или почвы в целом характеризует минералогическое богатство почв, в особенности бедных глинистым материалом песчаных, и является важным диагностическим показателем (величина эта в зависимости от минералогического богатства может колебаться от десятых долей процента до 5— 10% и более).

Вторичные минералы почв

Вторичные минералы практически целиком сосредоточены в тонкодисперсных гранулометрических фракциях размером <0,001 мм и представлены глинистыми минералами, минералами оксидов железа и алюминия, аллофанами, а также минералами солями. Глинистые минералы, как правило, составляют основную часть вторичных минералов. Названы они так в связи с тем, что преимущественно определяют минералогический состав глин. Важнейшая роль глинистых минералов состоит в том, что в силу присущей им поглотительной способности они определяют емкость поглощения почв и наряду с гумусом являются основным источником поступления минеральных элементов в растения.

К главнейшим глинистым минералам относятся минералы групп каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, смешаннослойных минералов, хлорита. Несмотря на наличие общих для всех глинистых минералов свойств (слоистое кристаллическое строение, высокая дисперсность, поглотительная способность), отдельные их группы за счет различия в своем строении и свойствах при значительном содержании могут существенно влиять на свойства почв. Минералы группы каолинита относятся к диоктаэдрическим слоистым алюмосиликатам, имеющим жесткую кристаллическую решетку. Емкость поглощения каолинита не превышает 25 мг-экв на 100 г; минерал не впитывает воду в межпакетное пространство и поэтому не обладает способностью к набуханию. В связи с этим почвы, содержащие в значительном количестве каолинит, характеризуются общей низкой емкостью поглощения, однако в связи с низкой набухаемостью имеют хорошую водопроницаемость и небольшую липкость. Содержание каолинита в почве обычно незначительно, за исключением почв субтропической и тропической зон, а также почв на древних корах выветривания. К группе каолинита относится минерал галлуазит, отличающийся от него значительным содержанием межслоевой воды, а также большей емкостью поглощения (40—60 мг-экв на 100 г).

Минералы группы гидрослюд или, как их часто называют, минералы группы иллита представляют собой трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющейся решеткой. Емкость поглощения гидрослюд составляет 45—50 мг-экв на 100 г. Гидрослюды содержат значительное количество калия (до 6—8% К2О), частично усвояемого растениями. Минералы этой группы широко распространены в осадочных породах и в различных количествах присутствуют почти во всех почвах, особенно часто в подзолистых и сероземах. К гидрослюдам близок минерал вермикулит, характеризующийся расширяющейся кристаллической решеткой и большей емкостью поглощения (до 100 мг-экв и более). Минералы монтмориллонитовой группы или, как их нередко называют, минералы группы смектита характеризуются трехслойным строением с сильно расширяющейся при увлажнении кристаллической решеткой, в связи с чем они способны к поглощению воды и значительному набуханию. Гидрофильность минералов этой группы обусловлена не только особенностями строения подвижной кристаллической решетки, но и их высокой дисперсностью (содержание фракций менее 0,2—0,3 мкм достигает 40—50% от общего количества частиц менее 0,001 мм). В связи с особенностями структуры и дисперсностью емкость поглощения монтмориллонита составляет 80—120 мг-экв на 100 г. Для минералов этой группы характерны разнообразные изоморфные замещения. Так, для одного из часто встречающихся представителей этой группы минералов — бейделлита — характерно замещение части кремния на алюминий, для другого представителя этой группы — нонтронита — замещение части алюминия на железо. Минералы группы монтмориллонита чаще свойственны

почвам, имеющим нейтральную и слабощелочную реакцию, —черноземного, каштанового типов, солонцам, реже почвам других типов. Монтмориллонита обычно много в слитых почвах. Группа смешаннослойных минералов является одной из наиболее распространенных в почвах умеренного и холодного гумидного, а также арктического поясов, где глинистые минералы

на 30—80% представлены этой группой.  Смешаннослойные минералы состоят из слоев различных индивидуальных минералов, в связи с чем обозначаются составными названиями, например: гидрослюда-монтмориллонит, хлорит-вермикулит. В зависимости от характера переслаивания и доли участия индивидуальных минералов смешаннослойные образования могут иметь довольно различные характеристики с точки зрения химических, физических свойств, емкости поглощения. Глинистые минералы группы хлорита, нередко встречающиеся в почве, могут быть по своему происхождению как первичными, так и вторичными. Кристаллическая решетка последних состоит из чередования слоев слюдяного и бруситового типов. В последнее время получены данные, свидетельствующие о том, что с присутствием в почве так называемых почвенных хлоритов, представляющих собой слоистые силикаты, содержащие в межслоевых промежутках полимерные ионы гидроксида алюминия, может быть в значительной мере связана гидролитическая кислотность почв.  Основными методами изучения глинистых минералов в отличие от первичных являются рентгендифрактометрический, термический, электронно-микроскопический. Абсолютно строгой приуроченности различных видов глинистых минералов к определенным типам почв и даже почвообразующих пород нет, в каждой почве можно обнаружить присутствие нескольких групп глинистых минералов, хотя намечается их четкая связь с гранулометрическим составом почв.  Объясняется это чрезвычайно сложным их генезисом, включающим в себя процессы новообразования и трансформации на фоне унаследованности от почвообразующих пород, как рыхлых, так и плотных осадочных и даже магматических.

Можно наметить два основных пути гипергенного образования глинистых минералов. Первый из них представляет собой постепенное стадийное изменение первичных минералов в глинистые с унаследованием их кристаллической структуры, он характерен для слоистых силикатов — слюд и хлоритов. Второй обнаруживается при выветривании полевых шпатов, ортосиликатов, вулканических стекол, где глинообразование происходит путем полного разрушения исходных минералов и последующего синтеза новых минералов из образовавшихся продуктов при их взаимодействии и кристаллизации.

Характер и скорость разрушения первичных и синтеза вторичных глинистых минералов в большей мере зависят от увлажнения и температурных условий. В условиях холодных гумидных областей в продуктах выветривания основных пород преобладают аморфные гидроксиды и органоминеральные соединения при отсутствии вновь образованных глинистых минералов.  В тропических почвах глинистые минералы могут образовываться за сравнительно короткий срок. Так, например, глинистые минералы группы гидрослюд и монтмориллонита были обнаружены, хотя и в небольшом количестве, в почвах на элювии лавы вулканов тропической зоны 300- и 1000-летнего возраста.

Влияние условий среды на формирование глинистых минералов четко может быть прослежено только при образовании почв на элювии изверженных пород.  Однако подавляющая часть почв формируется на дериватах плотных осадочных пород и рыхлых почвообразующих породах, в которых глинистые минералы могли образоваться еще до наложения современного почвообразования.

Кроме того, и в случае почвообразования на элювии магматических пород глинистые минералы могли образоваться в процессе поствулканической гидротермальной переработки исходных пород, переходя в мелкозем при их разрушении.  

Определенные трудности в изучении распространенности отдельных групп глинистых минералов по различным типам почв и профилю почвы создаются отсутствием точных методов количественного учета содержания глинистых минералов, по мере совершенствования этих методов могут вскрыться и отличия в содержании этих минералов в зависимости от типа почвообразования и различных почвенных процессов.

Минералы гидроксидов железа и алюминия.

 Из них наибольшее значение имеют гематит и гетит из минералов группы железа и гиббсит из минералов группы алюминия. Минералы этих групп встречаются в иллювиальных горизонтах подзолистых почв, желтоземах и красноземах; в значительных количествах гетит и гиббсит присутствуют в ферраллитных и железистых почвах, где они образуются из аморфных гидратов оксидов железа и алюминия при их кристаллизации. Присутствие пленок из тонкодисперсных минералов гидроксидов железа на поверхности почвенных агрегатов делает их более влагоемкими, минералы этой группы могут связывать в малоподвижных формах значительное количество фосфорной кислоты. Для диагностики минералов гидроксидов железа и алюминия основным методом является термический.

Аллофаны. Они образуют самостоятельную группу вторичных минералов Формирование этих минералов в почвах может быть обусловлено взаимодействием кремнекислоты и гидроксидов алюминия, высвободившихся при разрушении первичных и вторичных минералов, а также из золы растительных остатков. Присутствие в почве аллофанов повышает емкость ее поглощения, но увеличивает гидрофильность, липкость, набухаемость почв.

Минералы-соли встречаются в виде примесей к глинистым минералам главным образом в почвах аридных и семиаридных зон. (Следует учитывать, однако, что иногда в почвах могут присутствовать минералы-соли, являющиеся по своему происхождению первичными.) Значительная часть минералов-солей при высокой влажности почвы растворяется, насыщая почвенный раствор, а при высыхании они опять выпадают в осадок, формируя твердую фазу почв. Наиболее широко распространенными минералами-солями в почвах являются карбонаты: кальцит, люблинит, арагонит — СаСО3; доломит — СаСО3•MgCO3 ; сода — Na2CO3•10Н2О; трона— NaHCO3•Na2CO3•2H2O. Среди сульфатов наиболее распространены гипс — CaS04•2H20, полугидрат — CaSO4•0,5H2O, ангидрит — CaS04, мирабиллит—Na2SO4•10H2O, тенардит —Na2SO4. Среди хлоридов в почвах преобладает галит — NaCl, хотя встречаются и СаС12 и MgCl2. Большое количество солей характерно для соленосных почвообразующих пород (приморские отложения, древние морские осадки) и засоленных почв. В постоянно переувлажненных болотных и маршевых почвах могут присутствовать сульфиды железа и других тяжелых металлов, которые после дренирования и окисления переходят в сульфаты и карбонаты.

Вопросы:

1. Почему первичные минералы называют скелетом почв, а вторичные плазмой?

2. Что является структурной ячейкой первичных минералов?

3. Какие структуры первичных минералов являются наиболее устойчивыми к выветриванию и почему?

4. Какие минералы относятся к акцессорным и почему они используются для расчетов коэффициентов устойчивости?

5. Объясните взаимосвязь гранулометрического и минералогического состава почв.

6. Какие группы вторичных минералов являются наиболее характерными для почв?

7. Двухслойные и трехслойные глинистые минералы в чем их различие?

8. Назовите факторы необходимые для образования аллофанов, в каких почвах они преобладают?

9. При каких условиях образуются и аккумулируются минералы-соли?

10. Как мы называем почвы в которых аккумулировано большое количество минералов – солей?