ГРУППЫ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ подвижностиПРОДУКТОВ ВЫВЕТРИВАНИЯ И ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Как показано выше, подвижность различных соединений довольно изменчива. Продукты выветривания и почвообразования можно объединить в группы и ряды геохимической подвижности. Б.Б.

I. Энергично выносимые: Cl, Вг, I, S 10 И. Легко выносимые: Са, Na, К, Mg 1 Подвижные: Si02, Р, Мп              ОД Слабоподвижные: Fe, Al, Ti              0,01 Инертные: SiO2 (кварца)              0

Руководствуясь этими рядами подвижности элементов при выветривании, можно предвидеть, что соединения элементов 1 и II групп будут легко выноситься из элювиальной коры выветривания и накапливаться в аккумулятивной коре выветривания. Соединения элементов III и IV групп, наоборот, будут относительно накапливаться в элювиальных горизонтах и корах выветривания.

А.И. Перельман (1955) предложил понятие коэффициента водной миграции, под которым следует понимать отношение среднего содержания данного элемента в речной воде к среднему его содержанию в литосфере (кларку) или к среднему содержанию этого элемента в горных породах, дренируемых рекой и притоками. В общих чертах группы элементов по коэффициентам водной миграции, подсчитанным А.И. Перельманом, близки к рядам Б.Б. Полынова, хотя в некоторых деталях они отличаются.

Главные отличия приходятся на условия восстановительного режима с образованием H2S, когда миграционная активность серы, железа, марганца, кобальта, меди и других элементов сильно меняется (табл. 34).

Однако в природе не всегда выдерживаются эти закономерности. Нередко создаются условия, когда фактическая потеря элементов из коры выветривания и почв резко отличается от ожидаемой теоретически. Сопоставление большого числа материалов позволило нам дать эмпирическую группировку соединений по их геохимической подвижности, связанную в основном с условиями геохимии почв (табл.

Соединения очень высокой подвижности. К этой группе относятся нитраты, хлориды щелочей и щелочных земель, сульфаты натрия, калия, магния, цинка, урана, карбонаты натрия и калия.

Относительную геохимическую подвижность этих соединений можно принять за 100. Наиболее растворимые из них — нитраты и хлориды, а также бромиды и йодиды — выщелачиваются в условиях элювиальных и горно-эрозионных ландшафтов, при большом увлажнении особенно интенсивно. Они же весьма энергично накапливаются в почвах и коре выветривания аккумулятивных аридных ландшафтов и тем в большем количестве, чем суше климат.

Сульфаты и карбонаты щелочей, обладая при низких температурах несколько меньшей растворимостью, нередко отстают в выщелачивании, задерживаются в транзитных ландшафтах по пути их миграции,-хотя также являются постоянными компонентами в процессах аккумуляции солей и почвах внутриматериксвых низменностей, речных пойм и дельт,приморских береговых низменностей.

Соединения высокой подвижности. К этой группе относятся углекислые и двууглекислые соли магния, кальция, стронция, цинка, сернокислые кальций и стронций, фульваты большинства металлов. Их относительная подвижность в элювиально-аккумулятивных процессах почвообразования на 0,5—1 порядок ниже соединений первой группы и может быть обозначена индексом 50—10. Соли кальция и магния, отличаясь достаточно высокой растворимостью, выщелачиваются в областях господства

Таблица 35. Педогеохимическая подвижность главных продуктов почвообразования

элювиальных процессов.

В качестве катионов кальций, магний, калий и натрий интенсивно поглощаются и задерживаются коллоидно-дисперсными системами почв и осадочных пород. Калий поглощаясь растительными и животными организмами и входя в состав вторичных минералов, особенно гидрослюд, отстает в своей миграции от натрия. Магний, участвуя в процессах доломитизации и необменно поглощаясь вторичными силикатами и алюмосиликатами (монтмориллонит), также относительно отстает в выносе в сравнении с натрием. Кальций же входит в состав многих биогенных образований (скелеты, раковины) и представлен в почвах малорастворимыми соединениями (карбонаты, фосфаты). Поэтому и во второй группе продуктов наибольшей миграционной подвижностью отличаются соединения натрия, которые являются также и высокорастворимыми. Этому способствует и низкая биогенность натрия, значение которого в зольном составе растений невелико.

Соединения первой и второй групп в виде разнообразных смесей солей разной растворимости и в разной концентрации присутствуют в почвенных растворах, в грунтовых и речных водах. Они же участвуют в формировании минерализованных подземных вод и различных рассолов. В условиях аридного климата эти соли интенсивно накапливаются в грунтах и почвах степей, саванн, пустынь, образуя соленосные осадочные породы и засоленные почвы.

Соединения умеренной подвижности. К этой группе продуктов почвообразования и выветривания, обладающих относительно небольшой, но все же вполне выраженной миграционной способностью, принадлежат ион-

ные и коллоидные растворы кремнезема, бикарбонаты и фосфаты железа, марганца, кобальта, комплексные соединения алюминия, железа, марганца, кобальта, никеля, меди с органическими кислотами.

Относительная подвижность соединений этой группы на 2—2,5 порядка ниже по сравнению с соединениями первой группы и может быть обозначена в среднем индексом 0,5—1,0, Соединения фосфора в большинстве малорастворимы и, кроме того, интенсивно захватываются растительными и животными организмами, на длительное время задерживаясь в биологическом круговороте.

Освобождающиеся в процессе выветривания соединения кремнезема, фосфора, марганца, железа ограничены в пространственной миграции, задерживаются частично в области элювия либо выпадают вследствие хе- могенных и биогенных реакций в осадок в области делювия, пролювия и аллювия транзитных ландшафтов. Однако значительные количества соединений кремнезема, фосфора, марганца, железа, кобальта, никеля уходят с водами грунтового и поверхностного стока в аккумулятивные области, образуя скопления в пойменных осадках и почвах, в дельтовых и прибрежных зонах морей и океанов, в озерах и болотах. Известны скопления вторичного кварца в солончаках Африки.

Соединения низкой подвижности. Значительно меньшей подвижностью в коре выветривания и почвах отличаются соединения алюминия, титана, окно ных железа и марганца. Их подвижность в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем у соединений первой и второй групп. Это относится к гидроокисям названных металлов, а также к карбонатам и сульфатам бария и отчасти стронция, цинка. Однако иногда соединения алюминия перемещаются в заметных размерах, Образуя аккумулятивные месторождения бокситов. Все же общепризнано положение, что соединения алюминия и титана преимущественно накапливаются в остаточной коре выветривания, т. е. в области элювия. Именно поэтому древние элювиальные коры выветривания во влажных тропиках представлены минералами гидроокиси алюминия с примесью титана.'

Несколько иначе обстоит дело с соединениями железа. Образуя в коре выветривания в основном окисные формы, соединения железа также характеризуются низкой миграционной способностью и ясно выраженной тенденцией к накапливанию в остаточных продуктах элювиальных кор выветривания. Однако чуткая реакция железа на восстановительные условия и повышенную кислотность среды, образование при этом растворимых бикарбонатов и комплексных органо-минеральных соединений приводят к тому, что железо, подобно марганцу, иногда приобретает относительно высокую подвижность и может интенсивно выноситься из области элювия.

Соединения ничтожной подвижности {инертные). В эту группу Б.Б. По- лыновым отнесен кремнезем кварца. Сюда должны быть отнесены такие высокоустойчивые минералы, как циркон, глинные минералы, а также сульфиды металлов. А.И. Перельман указывает на ничтожную миграционную способность соединений тория, ниобия, тантала. Относительная подвижность этой группы соединений приближается к нулю. Вследствие своей инертности кварц и циркон являются типичными компонентами остаточной коры выветривания, относительно накапливаясь в толщах элювия. По этим причинам кварц или циркон часто принимаются за соединение- свидетель, по отношению к которому рассчитывается миграционная способность других продуктов выветривания и почвообразования.

Не следует, однако, забывать, что инертность кварца, глин и циркона не абсолютна. При высоких степенях дисперсности, особенно в условиях циркуляции щелочных растворов, кремнезем кварца способен к постепенному, очень слабому растворению и миграции. При геологической продолжительности процессов это может привести к существенным результатам. Глины также в какой-то мере могут пептизироваться и мигрировать (ле- сиваж).

ПОЧВЕННО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ СПУТНИКИ И АНТАГОНИСТЫ

Обзор геохимической подвижности важнейших продуктов выветривания и почвообразования при всей относительности описанных групп позволяет предвидеть и понимать поведение различных соединений в процессах формирования почв и почвенного покрова отдельных ландшафтов, континентов и их частей.

В природе редко достигается полное разделение продуктов почвообразования и выветривания. Обычно они растворяются, мигрируют и аккумулируются совместно в виде групп соединений-спутников.

В первом приближении можно считать, что компоненты описанных выше пяти групп педогеохимической подвижности соединений и являются спут- никами-мигрантами, спутниками-аккумулянтами. Многочисленные и вполне достоверные наблюдения свидетельствуют о том, что миграция и аккумуляция нитратов, хлоридов и сульфатов происходит совместно и часто сопровождается накоплением соединений брома, йода и бора. Это установлено для солончаковых пустынь Америки, Африки, Азии, юга Русской равнины, Кура-Араксинской низменности.

Общим правилом является совместная миграция и аккумуляция гипса, карбонатов и бикарбонатов кальция и магния и гуматов кальция. Гипс и углекислый кальций являются также постоянными геохимическими спутниками хлоридно-сульфатных аккумуляций. Карбонаты и бикарбонаты щелочей всегда сопровождаются мобильным кремнеземом, гуматами щелочей, нередко алюминатами щелочей в растворах, а в осадке — углекислым кальцием, монтмориллонитовыми глинами и паЛыгорскитом.

Совместно мигрируют и накапливаются фульваты и карбонаты железа, марганца, никеля, кобальта, меди. В остаточной коре выветривания образуются и совместно относительно накапливаются окислы и гидроокислы алюминия, железа, титана, кварц, коалинит.

Опаловидный и пылевидный кремнезем и кварц, углекислый кальций, коллоидный гумус, окислы железа и марганца и их фосфаты накапливаются совместно в сапропеле мелководных пресных озер, в торфяниках, глеевых горизонтах почв.

Компоненты каждой группы меньшей миграционной активности не только преимущественно задерживаются в элювиальных ландшафтах, но в виде спутников-примесей повсеместно в почвах и корах выветривания транзитных и аккумулятивных ландшафтов сопровождают компоненты ближайших групп возрастающей мобильности. Эту закономерность можно назвать ’’правилом сопровождения”. Согласно этому правилу, например, аккумуляция в почвах нитратов, хлоридов, сульфатов должна или может сопровождаться аккумуляцией гипса, углекислого кальция, вторичного кварца, опала, полуторных окислов, глинных минералов.

В соответствии с этим же правилом аккумуляция фосфатов и карбонатов железа, алюминия, марганца должна сопровождаться ослабленной, но достаточно выраженной аккумуляцией компонентов IV и V групп, т. е. гидроокислов алюминия, железа, марганца, гуматав этих же металлов, кварца и глинных минералов. Подчиняясь этому правилу, компоненты I группы не сопровождают скопления II и особенно III и IV групп. И действительно, гипсовые и карбонатно-кальциевые аккумуляции, не содержащие скоплений нитратов, хлоридов и сульфатов щелочей, достаточно известны в природе (луговые мергели, коричневые почвы, некоторые черноземы). Общеизвестно также, что типичные аккумуляции компонентов IV и V групп (латериты, аллиты, ферраллиты, каолиниты) никогда не сопровождаются компонентами I и II групп, так как последние должны быть выщелочены ранее.

Отмечаются также еще более сложные явления, которые можно назвать почвенно-геохимической несовместимостью(антагонизмом). Геохимический антагонизм возникает между такими соединениями, которые, вступая в реакции между собой, полностью разрушаются и не аккумулируются, несмотря на приток. Весьма типичным примером педохимической несовместимости являются карбонаты (бикарбонаты) щелочей и гипс, сода и хлориды кальция, алюминаты натрия и гипс. Во всех этих сочетаниях щелочной компонент будет нейтрализоваться, а продукты реакции — превращаться в обычные пары геохимических спутников: карбонат кальция и сульфаты натрия, карбонаты кальция и хлориды натрия, окислы алюминия и сульфат натрия. При аэрации среды также несовместимы геохимически сульфиды железа и карбонаты кальция или сода. Окисление сульфидов сопровождается образованием серной кислоты, разрушением карбонатов и образованием гипса или сернокислого натрия на бескарбонатном фоне, обогащенном окислами железа. Гипсовые аккумуляции, окрашенные окислами железа и марганца, могут быть свидетелями подобного процесса образования и разрушения сульфидов в прошлом.

По тем же причинам геохимически несовместимы квасцы и углекислый кальций (приморские кислые солончаки). Несовместимы нитраты и сульфиды, так как нитраты не могут образоваться и удержаться в анаэробной обстановке, где формируются сульфиды. В сильнокислой почве (насыщенной обменными водородом и алюминием) невозможна аккумуляция карбонатов кальция, магния, натрия: эти соединения неизменно должны вступать в реакцию с кислой почвой и разрушаться.

Маловозможно в растворах совместное нахождение соединений Si02, А1203, Fe(OH)3. Они неизбежно реагируют друг с другом, образуя осадки аморфных и окристаллизованных глин.

Явление почвенно-геохимической несовместимости соединений лежит в основе многих приемов химических и механических мелиораций (гипсование и кислование щелочных почв, плантаж и аэрация почв, известкование кислых почв). Как в природных почвенных процессах, так и в практике мелиораций накопление в растворе или в осадке одного из пары геохимических антагонистов может быть устойчивым лишь при полной ликвидации другого антагониста при условии постоянного притока первого компонента с грунтовыми водами, с поливными водами, в виде специальных препаратов или удобрений. Это правило особенно важно в практике известкования кислых и нейтрализации содовых почв и поддержания их плодородия.

Некоторые компоненты являются наиболее универсальными и повсеместными педохимическими спутниками любого почвообразовательного процесса. Это органический углерод, азот, кремнезем (аморфный или вторичный кварц), полуторные окислы и глинные минералы. Первичный почвообразовательный процесс (бактериальный, лишайниковый) или высокоразвитый черноземный почвообразовательный процесс, подводное почвообразование всегда дают продукты, обогащенные органическим углеродом и азотом, глинными минералами и вторичными соединениями кремния, образующими почвенный мелкозем. Эрозия и повторная седиментация, обособление, поднятие и расчленение аккумулятивных ландшафтов (террас, дельт) могут вызвать противоречивые процессы. Задача исследователя заключается в историческом анализе путем вычленения признаков реликтовых процессов и установления коррелирующих признаков новейших процессов, наложенных на реликты.

Судьба продуктов выветривания и почвообразования зависит от продолжительности соответствующего процесса, условий увлажнения местности, миграции, аккумуляции и суммарного баланса этих продуктов в почвах и их отдельных горизонтах.

Легкорастворимые соли в условиях элювиальных ландшафтов типичных пустынь сохраняются неопределенно длительное время в почвах и коре выветривания, не поддаваясь выщелачиванию. Напротив, в условиях влажных тропиков даже глинозем подвержен миграции и выносу. Выщелачивание гипса и углекислого кальция на ранних стадиях элювиального процесса (особенно в засушливом климате) отстает от выщелачивания хлоридов и сульфатов натрия и магния, поэтому гипс и углекислый кальций могут задерживаться надолго в элювиальных ландшафтах, как бы обнаруживая ’’относительное накопление”.

Соединения кремния, железа, марганца, алюминия в этом отношении также проявляются двойственно. Кремнезем довольно интенсивно выносится из элювиальной коры выветривания. Однако, выпадая в осадок в форме диатомовых, а также при высыхании растворов и их замерзании, аморфный кремнезем отстает в выносе от солей и относительное накопление его обнаруживается в коре выветривания и почвах. Обычно наблюдается и остаточное ’’относительное” накопление кварца, но и он при большой длительности тропического элювиального выветривания постепенно выносится из коры выветривания.

Наименее подвижными компонентами считаются окислы^ железа и особенно алюминия. Их соединения — типичные остаточные компоненты в элювиальной и окислительной коре выветривания. Однако в специфических случаях и они отличаются значительной педохимической активностью: образуют иллювиальные горизонты, конкреции, хардпены, рудные аккумуляции не только на суше, но даже в лагунах и на шельфах континентов.

Таким образом, понятие о мобильности или пассивности соединений в процессах почвообразования относительно. В зависимости от продолжительности и стадийности процесса и конкретных условий среды поведение продуктов почвообразования может быть совершенно противоположным. Задача исследователя - разобраться в истории и в сочетании этих сложных процессов в регионах исследований и сооружений крупных оросительных или осушительных систем.