Роль органического вещества в процессе выветривания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 «КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И НЕФТЕГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЛОГИИ

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПРОЦЕССЕ ВЫВЕТРИВАНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент 325 группы

 

 

«__» ____________  2013 г.                  ____________       Гизетдинов И.Р

 

 

Работа допущена к защите:

 

 

 

«__» ____________ 2013 г.                     _____________      Хузин И.А.

 

 

 

Казань – 2013 год

СОДЕРЖАНИЕ

 

Ведение………………………………………………………………………………3

1. Роль  микроорганизмов…………………………………………………………..4

2. Роль растений……………………………………………………………………..9

3. Роль животных…………………………………………………………………...12

4. Морское биогенное выветривание……………………………………………...14

5. Роль органического вещества в химических реакциях при выветривании….16

   5.1. Хелатизация………………………………………………………………….16

   5.2. Окисление –  восстановление………………………………………………..17

   5.3. Гидролиз……………………………………………………………………...18

6. Роль органического вещества в формировании коры выветривания………...20

7.Почвообразование………………………………………………………………..24

Заключение………………………………………………………………………….29

Литература…………………………………………………………………………..30

Текстовые приложения…………………………………………………………….31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

    Впервые учение о биосфере и геологической роли организмов сформулировано В.И. Вернадским. Он ввел понятие о «живом веществе» как перманентном геологическом деятеле, как аккумуляторе и перераспределителе солнечной энергии. В настоящее время считается неоспоримым фактом, что в разрушении горных пород и синтезе вторичных минералов принимают активное участие растения, животные и микроорганизмы, которые контролируют и корректируют направленность, кинетику и этапность выветривания. Все то, что могут делать с горной породой физическое и химическое выветривание, в состоянии и еще эффективнее способно сделать биогенное выветривание. Б.Б. Полынов утверждал, что сегодня стерильное выветривание на нашей планете вообще невозможно. Это конечно преувеличение, так как разрушение пород при морозном выветривании и образовании трещин разгрузки может происходить и без участия организмов и продуктов из жизнедеятельности. По мнению В.В. Вернадского, состав и свойства главных агентов выветривания – атмосферы и гидросферы, а также климата, коренным образом трансформированы деятельностью «живого вещества» планеты. И, поэтому, помня о том,  что кислород атмосферы является функцией фотосинтеза, даже в том случае, когда выветривание протекает без всяких следов живых и мертвых организмов, оно биогенное.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ

   Породы подвергаются воздействию самых разнообразных растений и животных, особенно микроорганизмов. Известны как химические, так и механические разрушения. Микробиологическое воздействие является в основном химическим [6].

    Попавшие случайно на породу небольшие количества органического вещества дают возможность размножаться многим сапрофитным бактериям, которые, выделяя углекислоту, способствуют дальнейшему выветриванию горных пород, частично растворяя их.

    С другой стороны, на тех же голых скалах могут поселяться не нуждающиеся в органическом веществе хемотрофные нитрифицирующие бактерии, образующие азотную кислоту. Незначительные количества аммиака, необходимые им для окисления, могут образовать сапрофитные микроорганизмы.

    Дальше поселяются некоторые сине - зеленые водоросли, фиксирующие атмосферный азот самостоятельно или в сообществе с азотфиксаторами; затем корковые лишайники, также являющиеся пионерами заселения таких местообитаний. Лишайники могут фиксировать атмосферный азот или за счет сине - зеленых организмов, или присутствующих в них азотфиксирующих бактерий. Затем уже появляются мхи и некоторые высшие растения. Так постепенно идет разрушение горных пород и одновременно создается почвенный перегной (гумус), растворимый в щелочах и осаждаемый в кислотах.

    Разрушающая способность микроорганизмов очень велика. В настоящее время известно, что специальные группы микроорганизмов могут использовать в качестве источника углерода для своего питания нефть, фенолы, парафин, нафталин и ряд других соединений, совершенно не доступных для большинства обычных сапрофитных микроорганизмов [3,стр. 162].

    На выветрелых поверхностях пород может находиться до 1 млн. бактерий в расчете на 1 г породы, а также сотни тысяч грибов, актиномицет и водорослей. Почвенные бактерии разделяются на гетеротрофные, которые получают энергию из органических источников, и автотрофные двух видов:

1) фотосинтезирующие, которые получают энергию от солнечных лучей;

2)хемотрофные, которые в процессе своего метаболизма окисляют минеральные компоненты, такие как сера и железо.

    Хемотрофные бактерии — одни из самых важных в процессе выветривания. Они проявляют наибольшую деятельность в восстановительных условиях, для которых характерно образование сульфидов. Пирит (FeS2)  оказывает большое влияние на качество воды. Начальная реакция выветривания является чисто химической и заключается в окислении пирита:

FeS2+H2O+7(O)→ FeSO4+H2SO4

     Окисление сульфата железа ускоряется при участии некоторых микроорганизмов, называемых тиобактериями (Thiobacillus ferrooxidans),  которые окисляют двухвалентное сернокислое железо в трехвалентное:

2FeSO4+(O)+ H2SO4→Fe2(SO4)3+H2O

    Затем трехвалентное сернокислое железо реагирует  с пиритом с образованием двухвалентного сернокислого железа:

Fe2(SO4)3+FeS2→3FeSO4+2S

    При участии тионовых окисляющих бактерий полученная сера перерабатывается в серную кислоту:

S+3(O)+H2O→H2SO4

    Так как серная кислота представляет собой сильный агент выветривания, то в обстановке окисления пирита pH обычно понижается до 3. Бактериальной деятельностью может быть обусловлено удаление кремнезема из тропических почв, а частично и карбонатная минерализация в пещерах и, возможно, других обстановках. Азотофиксирующие бактерии (азобактерии) переводят азот в соединение NH+4 в и могут также перевести соединения NO-3 в NH+4 . Эти соединения влияют на pH почвы и оказывают, несомненно, большое воздействие на все другие почвенные биоты. Было установлено, что популяции бактерий наследуют только выветрелые поверхности пород, уже после того, как на них начали расти грибы, но после своего проявления бактерии разрушают силикаты быстро, как и грибы.

    Продукты бактериального выветривания могут иметь практическое значение, например, в районе озера Элиот в Канаде, где был установлено, что вода в старых рудниках становиться кислой и в ней появляются растворенные уран и трехвалентное железо в промышленных концентрациях. Опыты пока,  что бактерии группы Ferrobacillius - Thiobacillus способствовали эффективному выщелачивающему воздействию кислого окисляющего раствора, тогда как в отсутствии бактерий выщелачивания не было.

    В настоящее время хорошо показана роль микроорганизмов в биогенном разрушении минералов. Действительно, биохимическое извлечение минеральных компонентов, вероятно, представляет собой промышленность будущего. Однако еще не вполне известны детали этих процессов и их количественные характеристики. Наряду с другими неясными аспектами этих процессов, в экспериментах по бактериальному выщелачиванию, в которых было обнаружено, что периоды покоя (без промывания) обусловливают затем повышение степени выщелачивания: содержание меди возрастает примерно в 16 раз после 14-ти дневного периода покоя.

    Почвенные водоросли — это нитевидные или одноклеточные растения с хлорофиллом. Они являются одним из первых поселенцев на обнаруженной поверхности пород, использующих CO2, N2 (в случае азотфиксирующих сине - зеленых водорослей) и малые количества питательных веществ из минералов. Образование пленок пустынного загара связывалось с деятельностью колоний сине - зеленых водорослей, которые мобилизуют ионы Fe  и концентрируют оксиды на поверхности пород. Было обнаружено, что пленки пустынного загара на породах в ледниковом районе центральной части Тянь - Шаня содержат огромное количество микроорганизмов (до 1 млн. на 1 г породы), включая бактерии, водоросли и грибы.

     Р. Дорн и Т. Оберлендер установили с помощью сканирующего электронного микроскопа, что пленки пустынного загара, состоящие из оксидов марганца, имеют по — существу микробиологическое происхождение, и что эти микробы могли действительно развиваться в культурных средах.

    Д. Эштон обнаружил водоросли в трещинах спайности крупных зерен полевых шпатов и между зернами кварца в гранитах у мыса Уилсон и повсюду в штате Виктория. Поскольку водоросли весьма распространены в тех участках, которые длительное время остаются влажными (например, трещины и пустоты под отдельными камнями), они проникают под поверхность пород на глубину до 5 см [6].

    Лишайники — симбиотические организмы, образованные грибом (гетеротрофный микобионт) и водорослями или цианобактериями (автотрофный фикобионт). Морфологическая основа лишайника образована грибом, обеспечивающим защиту автотрофных компонентов от высыхания и действия крайних температур и снабжение их водой и минеральными солями. Гриб использует углеводы, синтезируемые фикобионтами. Это многоатомные спирты в симбиозе с водорослями и глюкоза в симбиозе с цианобактериями. Выделение больших количеств спиртов происходит только под влиянием гриба в составе лишайника. Цианобактерии способны к азотфиксации, связанный азот передается грибу. Лишайники могут существовать в самых неблагоприятных условиях, где отдельно ни тот ни другой их компонент не смог бы развиваться [Приложение 1][1, стр.247]. Они удерживают поверхностную пленку воды и извлекая питательные вещества из минералов за счет ионного обмена. Лишайники, растущие на породах, можно назвать литофильными. Они оказывают механическое и химическое воздействие на минералы [Приложение 2.1-2.2]. Во влажном состоянии лишайники разбухают, при высушивании сжимаются и при этом могут отторгать фрагменты минералов, которые поглощаются тканью лишайника.  Гифы грибов проникают по трещинам спайности слюд, полевых шпатов и других минералов, образуя плотную сетку и разрушая минералы на мельчайшие фрагменты.

    Лишайники отмирают с образованием "протослоя органических веществ", который является основой для произрастания мхов и высших растений (хотя для некоторых мягких мхов почти или совсем не требуется предварительная стадия лишайников). В конечном итоге в результате разрушения минералов и бактериальной гумификации возникает образование, которое может быть названо " почвой" в самом обычном смысле этого слова. " Почва" или минеральная пыль, образуемая на ранних стадиях лишайниками, богата органическим веществом и содержит обычно больше P, Mg, Ca, K, S, и Fe,  чем материнская порода. Д. Веблей и другие привели описания микробиологии пород и выветрелых камней. Они установили, что количество микроорганизмов увеличивается с возрастанием числа лишайников. Бактерии, актиномицеты (микроорганизмы, занимающие промежуточное место между бактериями и грибами) обнаружены во внутренних частях выветрелых пористых камней, но они отсутствовали в невыветрелых породах. Большая часть этих микроорганизмов в чистых культурах в лабораторных условиях способствовала растворению кремнезема.

    Л. Помар и другие описали поверхности известняков в Испании, которые были покрыты микроорганизмами нескольких видов, причем каждый вид обусловливал специфическое изменение пород. Водоросли оставляли следы сверления, а грибы оказывали более эффективное воздействие и оставляли размытые коррозионные бороздки вдоль гифов. Лишайники оставляли самые глубокие ямки растворения – иногда глубиной более 15 мм [6].

    Итак, разрушительную работу в горных породах начинают бактерии, которые подготавливают почву для появления микрофлоры, а затем лишайников и мхов. Организмы в процессе своей жизнедеятельности поглощают из разрушаемой породы химические элементы такие как: P, S, Cl, K, Ca, Mg, Na, Sr, B, Si, Al, Fe, Mn и другие; а органические кислоты и CO2, образующиеся при разложении органических масс, способствуют процессам растворения и гидролиза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. РОЛЬ РАСТЕНИЙ

    Высшие растения воздействуют на выветривание пород различными путями. Давление, вызываемое растущими корнями, может расширять трещины, вследствие чего порода разрушается несколько быстрее, чем это могло произойти иным путем [Приложение 3]. Высшие растения создают определенный микроклимат у поверхности земли и посредством дыхания корней изменяют почвенный воздух; повышение содержания СО2 в почвенном воздухе имеет важное значение для химического выветривания, особенно у известняков.

    Некоторые формы рельефа обусловлены относительно интенсивным выветриванием вокруг некоторого защищенного участка. О. В. Бутузов описал останцы —  крупные невысокие холмы – образовавшиеся под 60 – летними соснами, где выщелачивание было значительно менее интенсивным, чем на участках, лишенных древесного покрова.

    Главные корни деревьев обычно проникают на глубину 3 м, а тонкие корешки на глубину 7 м. Рекордная глубина в 53 м была установлена для корневой системы мескита в США. У мыса Уилсон в штате Виктория (Австралия) на участке, покрытом ксерофильным лесом, корень толщиной 6 мм обнаружен на глубине 5 м. Этот корень был окружен зоной серой песчанистой глины шириной 6 мм, которая сменялась зоной песчанистого дезинтегрированного гранита шириной 2,5 см. Почвенный слой в этом районе имеет мощность всего 60 см, так что приведенный пример показывает важную роль корневой системы в выветривании на больших глубинах.

    Накопление микроэлементов растениями и их перевод в поверхностный слой почвы влияют на природу почвенного профиля и профиля выветривания, и конечно на ход процесса выветривания. Растения поглощают некоторые микроэлементы и после отмирания возвращают их в поверхностный слой почвы, таким образом, совершается определенный цикл в перемещении этих микроэлементов. Циклическое перемещение питательных веществ растений хорошо известно, однако существуют также циклы перемещения (круговорота) других микроэлементов, в том числе кремния и алюминия. Некоторые растения представляют собой концентраторы кремнезема, который возвращается в почву в виде опалового фитолита — зерен причудливой формы, долгое время определявшихся как спикулы губок. Эти зерна составляют значительную часть минеральной фракции некоторых австралийских почв. Е. Ченери описал цикл алюминия в почвах и растениях. А. Б. Костин и др. привели пример воздействия на почвообразование растения аккумулирующего алюминий — снежной травы (Роа саespitosa). Эта трава обусловливает появление в почвах тонкого слоя гиббсита, хотя происходит все это в холодных условиях альпийских гумусовых почв.

    Растительный отпад и разлагающиеся остатки растений играют большую роль в сохранении влаги, которая в свою очередь способствует выветриванию.

    Очень важным является влияние растительности в образования растительного отпада, который служит генератором «листовых экстрактов» («leaf leachates»), служащих источником хелатных комплексов. Мобилизация полуторных оксидов в почвах объяснялась воздействием коллоидального гумуса или кремнезема, однако К. Блумфилд не смог обнаружить эффект мобилизации ни одного из этих соединений. С другой стороны, было установлено, что асептические растворимые компоненты негумифицированного растительного материала растворяют в значительных количествах железистые и другие оксиды, и это воздействие было еще большим в нестерильных условиях. По - видимому, эти свойства листовым экстрактам придают в основном полифенолы.

    Листовые экстракты могут ускорять процесс подзолообразования до большой глубины, причем разные виды деревьев оказывают различное воздействие на подзолообразование. Деревья, которые могли бы давать подзолы (о чем свидетельствуют эксперименты с листьями), в действительности никогда не встречаются на подзолистых почвах. Так как все растения, испытанные в лабораторных условиях, дают экстракты, способные мобилизовать железо, независимо от их поведения в природных условиях. Такие факторы, как способность фенольных соединений к окислению и пригодность листового отпада для почвенной фауны, возможно, в конечном счете, будут определять наличие или отсутствие подзола под конкретными видами растений.

    С. Нг и К. Блумфилд показали, что помимо железа еще Ряд микроэлементов мобилизуется (переводится в растворимое состояние) разлагающимися растительными остатками. В раствор переходили Mn, Zn, Pb, Ni, Со, Mo, V и Сu, независимо от того, присутствовали ли они в виде чистых оксидов или в тех формах, в которых они встречаются в некоторых почвах. Так же как и в случае железа, эти металлы образовывали комплексы, но в протии [6].

    Таким образом, растения в процессе своей  жизнедеятельности, проникая в трещины  и поры горных пород, разрушают  их не только механически, но  и химически, разъедая их кислотами, выделяемыми концами корешков. Одновременно с этим растения извлекают различные минеральные элементы горной породы в качестве питательных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РОЛЬ ЖИВОТНЫХ

    Физическое разрушение пород или обломков может быть вызвано сверлящими животными или даже пропусканием пород через кишечный тракт червей и других организмов. Однако главный вклад организмов в выветривании, по - видимому, состоит в неоднократном перемешивании почвенных материалов, в результате которого свежий материал постоянно подвергается воздействию агентов выветривания, и к минеральным частицам более легко проникают воздух и вода. Органическое вещество может быть внесено в нижние горизонты почвы и способствовать выветриванию на больших глубинах. Дыхание почвенной фауны, подобно дыханию растений, может увеличивать содержание СО2 в почвенном воздухе что играет значительную роль в химическом выветривании.

    Однако почвенная фауна обычно не спускается ниже определенного уровня, даже в рыхлых породах дневной поверхности, которые обычно свободно дренируются. Например, в тропических районах деятельность термитов можно объяснить сортировку верхней части почвенного профиля. Термиты могут переносить частицы величиной только до 1 мм для постройки термитников. Термитники, в конце концов, обрушиваются и на их развалинах возводятся новые. Со временем земля окажется, покрыта слоем материала, нанесенным термитами. Ниже слоя перерабатываемого термитами будут накапливаться камни и более крупные обломки [7].

    Земляные черви создают норки в почве (глубиной не менее 60 - 80 см, крупные виды — до 8 м), способствуя её аэрации, увлажнению и перемешиванию. Черви продвигаются через почву, расталкивая частицы или заглатывая их. В некоторых иллинойских почва поверх кислой подпочвы образуются  некислотные верхние слои в результате накопления карбонатных конкреций (размером песчаной фракции), которые представляют собой окаменевшие копролиты отмерших земляных червей [5]. 

     Ходы грызунов оказывают разное воздействие [Приложение 4]. Кролики предпочитают рыть норы в песчанистых почвах, в которых воздействие на выветривание, вероятно, будет слабым, но в других почвах эффект перемешивания может иметь существенные значения. Шакалы и другие животные черноземной полосы обитают в колониях, занимающих участки площадью до 20 га. Они обычно разрушают структуру почвы и постоянным перемешивание почвы препятствуют развитию процессов выщелачивания и формированию зольного профиля.

     Улитки, обитающие в районах богатых известью, могут высверливают глубокие ходы в известняках. Экскременты птиц служат источником органического вещества и играют определенную роль при зарождении процессов почвообразования и выветривания, а в Антарктиде главным источником поступления органических веществ являются пингвины. Орнитогенные почвы образуются за счет гуано и кератина перьев при вспомогательной деятельности сине - зеленых водорослей. На некоторых островах гуано птиц слагают огромные залежи, которые способствуют выветриванию известняков и образованию новых минералов путем реакции с карбонатам. Гуано летучих мышей в пещерах может способствовать появлению ямок растворения в кровле пещер и выветриванию дна пещер с образованием новых минералов. В некоторых лавовых пещерах были найдены редкие минералы — результат взаимодействия между гуано летучих мышей и базальтом.

    Крупные животные уплотняют почву, увеличивая тем самым поверхностный сток и эрозию почвы. К этому же приводят разрушения или сокращение растительного покрова при выпасе скота. Эрозия повышает интенсивность удаления выветрелых продуктов, что в свою очередь воздействует на скорость выветривания. Необычное явление было описано на горе Элгон, где слои вулканического пепла чередуются с агломератом. Пепел легко вымывается, хотя он также растворим в некоторой степени. Стенки пещер покрыты кристаллами мирабилита (сернокислым натрием), которые слизываются коровами. Ново поколение кристаллов вырастает за несколько дней, образующиеся ниже латеритных железистых панцирей [6].

    Итак, разрушению  пород способствует рытье нор  и ходов земляными червями, улитками, грызунами и вытаптывание растительного покрова копытными млекопитающими.

 

4. МОРСКОЕ БИОГЕННОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

    Некоторые морские беспозвоночные (например, Pholas и Patella) сверлят отверстия в породах либо механически, либо путем выделения кислот [Приложение 5]. Морские ежи являются наименее селективными (избирательными) сверлильщиками, так как они действуют чисто механически, сильными острыми зубами, которыми могут прокусить любую породу, оставив отпечаток в виде пятилучевой звезды.

    Такое первоначальное  разрушение породы обусловливает  более легкий доступ другим  агентам выветривания. Вследствие  дыхания животных и растений  образуется СО2, способствующий растворению известняка. Некоторые авторы заходят настолько далеко, что относят всю береговую коррозию известняков на счет водорослей, однако это не так, поскольку часть коррозии, особенно в зоне разбрызгивания, является результатом чисто химических процессов.

    Животные также  могут вызвать разнообразное  разрушение пород в незначительной  степени. Крабы могут расширять  трещины, залезая внутрь трещин, и таким образом расталкивать  блоки пород. Некоторые рыбы поедают кораллы, и живущий риф разбивается на куски. Многие животные заглатывают и перерабатывают мелкозернистые осадки. На береговых платформах маты из водорослей и двустворчатых моллюсков предохраняют породы от абразии и, кроме того, способствуют сохранению воды в небольших водоемах, предотвращая их усыхание. Эти факторы играют важную роль в образовании таких платформ и Е. Хиллс так писал о биогенном воздействии на выветривание береговых платформ: «Хотя можно показать, что абразия не играет особой роли в образовании или изменении локальных участков платформ и что растворение уменьшается в волноприбойной нише у края платформы, не было дано нигде никакого рационального объяснения, основанного на научных гипотезах, повсеместно выдержанному уровню платформ. Действительно, известно, что единственными агентами, которые имеют столь строгую приуроченность, являются организмы, произрастающие на платформах, и эти организмы несомненно должны изучаться специалистами по морской экологии».

    Биологическая  деятельность контролирует концентрацию  кремнезема в морской воде. Неорганическими реакциями, в том числе синтезом силикатов, нельзя объяснить содержания кремнезема в морской воде, а перестройка глинистых минералов, вероятно, представляет собой вторую стадию диагенетических изменений. Идеи С. Калверта оказываются весьма плодотворными в расчетах цикла кремнезема в глобальном масштабе и заставляют предполагать, что морское накопление кремнезема до возникновения жизни происходило в совершенно иных условиях. Интересно отметить, что древнейшие из известных окаменелостей встречаются в кремнистых породах [6].

Итак, выветриванию так же способствуют морские организмы. Они сверлят отверстия в породах механическим или путем выделения кислот. Крабы зализая внутрь трещины в породе расталкивают блоки породы, рыбы поедая кораллы, разбивают риф на куски.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ ПРИ ВЫВЕТРИВАНИИ

    Роль органического вещества также проявляется химических реакциях при выветривании таких как хелатизация, окислительние и восстановление, гидролиз.

           

             5.1.  Хелатизация

    Хелатизация (или комплексообразование) — это образование вокруг какого - либо комплексируемого иона, обычно металла, кольцевой постройки органического вещества. Хелатизирующие агенты могут извлекать ионы из твердых веществ, обычно нерастворимых, и способствовать переносу ионов в такие условия, в которых они обычно осаждаются химическим путем [4]

    Растения используют хелатизирующие агенты для того, чтобы извлечь ионы (питательные вещества) из минералов, и таким образом способствуют более быстрому выветриванию минералов по сравнению с тем, которое происходило бы только неорганическим путем. Детальный механизм этого процесса не известен. Разлагающееся растительное вещество (гумус) богато хелатизирующими агентами, которые возможно способствуют подготовке ионов для поглощения их живыми растениями, и которые также усиливают дифференциальное выщелачивание ионов в профиле выветривания. Например, лесная подстилка может обусловить быстрое перемещение железа вниз по профилю и привести к очень быстрому оподзоливанию. Разные виды деревьев оказывают различное влияние на этот процесс, и посредством хелатизации возникают разнообразные «фитогенетические» типы почв на одном и том же материнском материале.

    Поучительный пример хелатизации приведен В. Келлером. Порошкообразный кальцит размешивается в водном растворе натриевой соли этилен - диамин - тетрауксусной кислоты (обычный хелатизирующий агент), никакой СО2 не выделяется, рН сохраняется при 10 – 11 (высокощелочная среда), кальций переходит в раствор в результате хелатизации, а ион карбоната остается в растворе.

 

            5.2. Окисление и восстановление

    Исходя из позиций простого выветривания, окисление означает реакцию с кислородом с образованием оксидов или, если присоединяется вода, гидроксидов. Поскольку реакция с атмосферным кислородом является одной из обычных форм природного выветривания, то можно термин «окисление» охарактеризовать    этим определением .

    Окисление минералов газообразным кислородом, вероятно, всегда происходит через стадию промежуточного воздействия воды «в которой сначала растворяется кислород. Воды может быть много или она образует только пленку» но основное окисление происходит в зоне аэрации. Воздействие окисления особенно четко фиксируется присутствием оксидов железа и гидроксидом, которые придают характерные красные и желтые окраски многим породам и почвам. Эта окраска может маскироваться черным гумусом, однако в тропиках встречается бесцветный гумус, а красноцветные почвы являются характерной особенностью крупных территорий. Красная «окраска (и, следовательно, окисление) может проникать до значительных глубин. К. Рич указывает, что в аридных районах глубокие колодцы, пройденные до уровня грунтовых вод часто достигают зеленовато - серых пород, расположенных ниже зоны окисления.

    Хотя неорганическое окисление — вполне обычный и важный процесс, множество процессов окисления протекает под воздействием бактериальной деятельности, причем бактерии получают энергию за счет окисления железа, марганца, серы и, возможно, других элементов, включая фосфор (при образовании вивианита). Окисление сульфидов приводит к образованию серной кислоты, которая, вероятно, играет важную роль в дальнейшем выветривании.

    Химики применяют термины «окисление» и «восстановление», «чтобы описать удаление электронов или их добавление к атомам некоторых элементов, претерпевающих химическое изменение, причем кислород может не участвовать совсем в этом изменении. Например, железо может взаимодействовать с серой с образованием FeS, при этом железо окисляется. Оно может быть еще больше окислено в форме FeS2 и в еще большей степени в соединениях с кислородом. Таким образом, в сульфиде железо является окисленным по сравнению с металлическим железом, но восстановленным по сравнению с гематитом.

    Восстановление — это процесс, противоположный окислению» и «обычно оно осуществляется в анаэробных обстановках в условиях застойных вод. Восстановление оксидов железа представляет собой одно из очевидных изменений; красные и желтые окраски в восстановительных условиях сменяются зелеными и серыми окрасками. Восстановление в значительной мере осуществляется бактериями; например, органическое вещество (гумус) восстанавливается ферментирующими бактериями, а сульфаты — бактериями в сульфиды. Многие силикатные минералы содержат катионы, которые легко меняют состояние окисления, например Fe2+/Fe3+, Cr2+/Cr3+. Приме изменении восстановительного потенциала минералы, содержащие эти катионы, могут окисляться или восстанавливаться. Для сохранения электронейтральности кристаллической структуры в решетку должны внедриться или покинуть ее другие ионы. Это приводит к тому, что кристаллическая решетка становится неустойчивой и болee восприимчивой к другим реакциям выветривания, таким как гидролиз, или к переходу в другие минералы.

    В почвах окислительно - восстановительный потенциал определяется главным образом наличием кислорода и СО2, растворенными в почвенных водах, а также органическим веществом. Следовательно он зависит от парциального давления газообразных кислорода и СО2 в почвенном воздухе и от рН почвенного раствора [6].

         

         5.3.Гидролиз

    Гидролиз - это химическое взаимодействие между минералом и водой, т.е. между ионами воды Н+ или ОН- и ионами минерала. Эта реакция происходит всюду, где минерал находится в контакте с водой. Реакции гидролиза характерны для силикатов, алюмосиликатов и ряда других минералов.  
    При гидролизе ионы OH- образуют с щелочными и щелочноземельными металлами легко подвижные соединения, которые выносятся из пород. Глинистые, алюминистые, железистые окисные минералы, образовавшиеся при гидролизе, труднорастворимы (каолинит, гидрослюда, диаспор, лимониты и др.). Они выносятся в виде взвеси или остаются на месте.  
    Живые растения и нитрифицирующие бактерии представляют собой постоянный источник ионов Н+, которые создают кислую среду и выветривают близлежащие минералы. Растения обменивают Н+ на питательные вещества и за счет удаления Н+ реакция постоянно остается несбалансированной, так что выветривание продолжается на протяжении всей жизни растения, причем фронт выветривания распространяется в стороны от границы раздела между корнем и глиной  [4].