Почвоведение

Минералы. Природное тело, имеющее постоянный химический состав и определенные физические свойства, называют минералом.

По происхождению различают  первичные минералы, входящие в состав магматических пород, и вторичные  минералы, образовавшиеся в результате выветривания первичных минералов  и изменения их химического состава.

К первичным минералам  почв относят те минералы, которые  входили в состав магматических  пород и перешли в другие породы и почвы без каких-либо изменений  состава. Таким образом, первичные  минералы представляют собой остаток  магматических пород, подвергшихся только механическому разрушению, но сохранивших свой химический состав. Первичные минералы обычно примешаны  к вторичным минералам, которые  образуют основную массу почв. Только песчаные породы и почвы состоят  в основном из первичного минерала — кварца. В состав почвообразующих  пород и почв входят следующие  первичные минералы: кварц, полевые  шпаты (ортоклаз, микроклин), слюды, магнетит, гематит и др. Первичные минералы образуются из магмы в недрах Земли  при определенной температуре и  давлении. При выходе на земную поверхность  они под воздействием воды, воздуха  и живых организмов разрушаются  и превращаются во вторичные минералы, из которых формируются осадочные  почвообразующие породы.

Существует несколько  классификаций минералов: химическая, генетическая, по практическому применению. Ниже рассмотрена классификация  минералов по химическому составу.

Все минералы подразделяют на следующие классы: самородные элементы, сульфиды, галогениды, оксиды, соли кислородных  кислот (карбонаты, сульфаты, фосфаты, нитраты), силикаты и алюмосиликаты, углеводородные соединения.

Самородные элементы состоят  из одного химического элемента. К  ним относятся алмаз, графит, сера, а также минералы — серебро, золото, платина. Минералы этого класса составляют менее 0,1 % массы земной коры и являются чаще редкими или драгоценными.

Алмаз — самый твердый  минерал, образуется при огромном давлении в недрах Земли. Его широко применяют  в технике и для изготовления ювелирных изделий.

Графит — очень мягкий минерал, хотя имеет тот же химический состав, что и алмаз. Образуется из каменных углей и битумов в  результате процессов метаморфизма. Имеет окраску от темно-серой  до черной. Встречается в виде плотных  масс среди метаморфических пород: сланцев, мраморов, гнейсов. Графиты  применяют для изготовления карандашей, электродов в атомных реакторах, а также электроплавильных тиглей.

Сера — минерал светло-желтого  цвета, встречается в виде кристаллов и землистых масс. Образуется путем  кристаллизации из горячих водных растворов, а также при вулканических  извержениях и при выветривании сульфатов. Серу широко применяют в  химической промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Она относится  к почвообразующим минералам.

Сульфиды — это сернистые  соединения тяжелых металлов (соли сероводородной кислоты). В земной коре наиболее распространены пирит, халькопирит, галенит, киноварь и др. Многие минералы этого класса являются рудами, из которых  получают медь, свинец, ртуть. Продукты выветривания сульфидов участвуют  в почвообразовании.

Пирит FeS2 — железный, или  серный, колчедан. Образуется чаще из расплавленной  магмы, а также путем кристаллизации при воздействии горячих паров  на соединения железа или в результате метаморфических процессов. Пирит  служит сырьем для получения серной кислоты, а железные огарки используют как железную руду. Под действием  кислорода и воды пирит разрушается  с образованием гидроксидов железа, сульфатов, карбонатов, серной кислоты, которые оказывают влияние на ход почвообразовательных процессов. Необходимо учитывать содержание сульфидов  в породах на разрабатываемых  месторождениях полезных ископаемых. Сульфидсодержащие породы, оказавшиеся  на поверхности в процессе выветривания, образуют серную кислоту. После рекультивации  территории, нарушенной при добыче полезных ископаемых, гумусовый слой, нанесенный на поверхность, пропитывается  серной кислотой, что приводит к  необратимой деградации почвы и  загрязнению окружающей среды.

Халькопирит FeCuS₂ — медный колчедан латунно-желтого цвета. Образуется под действием гидротермальных процессов, а также магматическим путем. Халькопирит — это основная руда для получения меди. Он легко окисляется с образованием железа и меди. Из медного колчедана получают медный купорос CuS0₄, который в сельском хозяйстве используют для борьбы с вредителями садовых культур.

Галенит, или свинцовый  блеск, PbS — основная свинецсодержащая руда. Выделяется вместе с цинковой обманкой из горячих минеральных  растворов, идущих по трещинам из магматического очага. Из галенита получают свинец, который  применяют в электропромышленности, а также для изготовления типографских шрифтов, свинцовых белил, дроби  и др.

Галогениды — соли галогеноводородных кислот (НСl, HFи др.). Наибольшее значение для почвообразования и земледелия имеют такие минералы этого класса, как сильвин, галит, карналлит.

Сильвин КСl — основная соль для получения калийного удобрения. Образуется в высыхающих соляных  озерах или изолированных от моря заливах при испарении воды.

Галит NaCl — каменная соль, поваренная соль. Ее широко используют в пищевой промышленности. В природе  встречается в виде крупных скоплений  соли (пласты, штоки, купола) среди осадочных  пород. При насыщении галитом  грунтовых вод последние служат источником засоления почв, что приводит к значительному снижению почвенного плодородия.

Месторождения сильвина и  галита находятся на Среднем Урале, в Белоруссии, Прикарпатье, Сибири и  т. д.

Карналлит MgCl₂ · КСl ·6Н₂O — минерал, залегающий вместе с сильвином и галитом. Из карналлита получают металлический магний и калийные удобрения.

Оксиды — соединения различных  химических элементов с кислородом или же с кислородом и водой. Это  широко распространенные породообразующие минералы. Класс оксидов подразделяют на группы: оксиды кремния, оксиды железа, оксиды алюминия, оксиды марганца.

В группу оксидов кремния  входят кварц, халцедон, опал.

Кварц SiO₂ — самый распространенный кристаллический породообразующий минерал (около 65 % земной коры состоит из кварца). Для кварца характерны большая твердость, неровный излом, отсутствие спайности. Этот минерал входит в состав магматических (гранит и др.) и метаморфических (гнейсы, кварциты и др.) горных пород. При выветривании кварца и кварцосодержащих пород образуются галечники, щебень, гравий, различные пески (эоловые, водные, ледниковые).

Халцедон SiO₂ — аморфный минерал с матовым блеском, образуется из водных растворов, имеет форму желваков, конкреций, сталактитов, разнообразную окраску. Разновидности халцедона (кремень, яшма, агат, сердолик) используют как поделочный материал.

Опал SiO₂· nН₂O — водный оксид кремния. Образуется при выветривании силикатов, а также при химическом осаждении из растворов.

В группу оксидов железа входят гематит, магнетит, лимонит.

Гематит Fe₂O₃ — красный железняк. Содержит около 65 % железа. Его используют как руду в доменном производстве. Образует залежи различных генетических типов месторождений (изверженных, метаморфических, гидротермальных). Встречается в коре выветривания в условиях сухого и жаркого климата.

Магнетит, или магнитный  железняк Fe₃O₄ — соединение, имеющее различное происхождение — магматическое, гидротермальное и др. Сырье для выплавки чугуна и стали. Для магнетита характерны магнитность, черный цвет, металлический блеск и отсутствие спайности.

Лимонит 2Fe₂O₃ • ЗН₂O — бурый железняк, главным образом распространен в верхних слоях земной коры, образуется при выветривании магнетита и гематита, а также на дне озер, болот и в почвах. Цвет чаще лимонно-желтый, но встречается и черный. Используют для выплавки чугуна и стали.

В группу оксидов алюминия входят боксит и гидраргиллит (гиббсит).

Боксит Аl₂O₃ · nН₂O — минерал, в котором содержание воды может изменяться. Собственно боксит имеет формулу Аl₂O₃ • 2Н₂O. Если же в ее состав входят три молекулы воды (Аl₂O₃ • 3Н₂O), то минерал называют гидраргиллитом. Боксит и гидраргиллит встречаются вместе с глиной в виде землистой массы. Минералы имеют белую окраску или слабо окрашены в сероватый, красноватый, зеленоватый цвета; образуются при гидролизе алюмосиликатов в процессе выветривания. Эти минералы — основная руда для получения металлического алюминия.

Пиролюзит МnO₂ относится к группе оксидов марганца. Это основная марганцевая руда. Пиролюзит применяют в производстве красок, а также для получения хлора и кислорода. Из пиролюзита в почву поступает марганец, который необходим растениям как микроэлемент.

Соли кислородных кислот подразделяют на следующие группы: карбонаты, сульфаты, фосфаты, нитраты. Все минералы этого класса имеют  большое значение в почвообразовании и служат сырьем для производства удобрений.

Карбонаты — соли угольной кислоты: кальцит, магнезит, доломит, сидерит.

Кальцит СаСO₃ — известковая руда, которую после размола применяют для известкования кислых почв. Используют также в металлургии, строительстве, оптике и т. д. Чистые кристаллы кальцита бесцветны, прозрачны, обладают двойным лучепреломлением (исландский шпат). В осадочных породах кальцит имеет белую окраску, находится в виде залежей известняков, мела. Он может иметь различное происхождение (гидротермальное, метаморфическое), но чаще образуется при осаждении из горячих и холодных растворов.

Магнезит MgCO₃ встречается в виде мраморовидных масс белого, серого или бурого цвета. Образуется в гидротермальных условиях или при выветривании ультраосновных пород. Используют при изготовлении цемента, огнеупорного кирпича, а в молотом виде — для химической мелиорации кислых почв.

Доломит CaMg(CO₃)₂ — двойной карбонат кальция и магния осадочного или гидротермального происхождения. Залегает плотными зернистыми массами разной окраски (белой, желтой, серой и даже черной). Используют как огнеупорный материал в металлургии, а в сельском хозяйстве — для известкования кислых почв.

Сидерит FeCO₃ — железный шпат, образуется гидротермальным путем при взаимодействии железистых растворов с известковой породой. Используют в качестве сырья для получения железа.

Сульфаты — соли серной кислоты: гипс, мирабилит и др.

Гипс CaSO₄ • 2Н₂O — минерал осадочного происхождения. Имеет белую окраску, но при наличии примесей бывает серым, розовым, синим. Размолотый гипс применяют для мелиорации солонцов, снижения щелочности почв. Жженый гипс (алебастр) используют как строительный материал и в медицине. Красивую разновидность волокнистого гипса — селенит — используют как поделочный камень.

Мирабилит Na₂SO₄ · 10Н₂O — глауберова соль. Образуется в соляных озерах при испарении воды. При температуре выше 33 °С превращается в безводный сульфат натрия — тенардит. Приметают в медицине как лекарственный препарат, используют для приготовления соды.

Фосфаты — соли фосфорной  кислоты: апатит, фосфорит, вивианит.

Апатит имеет две разновидности: фторапатит — Ca₅(PO₄)₃F и хлорапатит — Ca₅(PO₄)₃Сl. Чаще образуется магматическим путем, но может иметь и метаморфическое происхождение. Залегает в виде сплошной зернистой массы зеленовато-серого, зеленого, синеватого и фиолетового цвета. Крупные скопления связаны с щелочными породами. Основное месторождение апатитов разрабатывается на Кольском полуострове (г. Апатиты). Используют для производства главнейшего фосфорного удобрения — суперфосфата, а также для получения фосфорной кислоты и фосфора.

Фосфорит Са₃(РO₄)₂ — минерал, встречающийся в виде желваковых залежей и плит среди осадочных пород, но может иметь и магматическое происхождение. Характерно наличие примесей кварца, полевых шпатов, глауконита и др. Содержит от 12 до 24 % Р₂O₅. После размола можно непосредственно использовать как фосфорное удобрение или для получения концентрированных удобрений.

Вивианит Fe₃(PO₄)₂ • 8Н₂O — минерал белого цвета, на воздухе становится синим или голубым, встречается среди бурых железняков и в виде прослоек в низинных болотах. Примеси этого минерала обогащают торф соединениями фосфора, что увеличивает ценность удобрений, приготовленных на торфяной основе.

Нитраты — соли азотной  кислоты: натриевая селитра, калиевая селитра.

Натриевая селитра NaNO₃ имеет органогенное происхождение, ее используют как азотное удобрение, а также для получения азотной кислоты и пороха.

Калиевую селитру KNO₃ применяют как азотно-калийное удобрение.

Силикаты и алюмосиликаты  составляют 95 % массы земной коры. Одна треть минералов относится к  этому классу. Их происхождение преимущественно  магматическое. Для этих минералов  характерны неметаллический блеск  и небольшая плотность (легкие). Силикаты и алюмосиликаты определяют все  свойства почв: физические, химические и биологические.

Оливин (Mg, Fe)2SiO₄ — магниево-железистый породообразующий минерал. В базальтах и дунитах находится в форме зерен темной зеленовато-желтой окраски. При химическом выветривании превращается в кремниевую кислоту, карбонат магния и гидроксид железа. Применяют для производства огнеупорных кирпичей, изготовления ювелирных изделий.

Полевые шпаты составляют около 50 % массы земной коры и относятся  к наиболее распространенным минералам. Их образование связано с кристаллизацией  магмы, поэтому они чаще всего  находятся в изверженных породах, реже — в сланцах, конгломератах  и песчаниках. В процессе выветривания из полевых шпатов образуются вторичные (в том числе глинистые) минералы, кремниевая кислота и карбонаты. По химическому составу это алюмосиликаты  калия, натрия и кальция. Их подразделяют на калиево-натриевые (ортоклаз, микроклин) и известково-натриевые (плагиоклаз) полевые шпаты. Ортоклаз K(AlSi₃O₈) распространен в кислых изверженных породах. При химическом выветривании из ортоклаза образуются каолиновые глины. Микроклин имеет тот же химический состав, что и ортоклаз, но отличается строением кристаллической решетки. Плагиоклазы по химическому составу представляют изоморфные смеси альбита Na(AlSi₃O₁₀) и анортита Ca(Al₂Si₂O₈). Полевые шпаты обычно имеют белую окраску.