Топырақтың механикалық құрамы

Ші Дәріс – Тақырыбы: Топырақтың гранулометрлік және минералогиялық құрамы.

Дәрістің мақсаты: Топырақ және топырақ түзуші тау жыныстарының гранулометрлік (механикалық) пен минералогиялық құрамдарына түсінік беріп жіктеуін көрсету.

Түйіді сөздері: топырақтың қатты фазасы, фракциялар, гранулометрлік құрамы, топырақ қаңқасы, ұнтақ, құм, шаң, тозаң, коллоидтар, физикалық құм, физикалық балшық, құмдақ, құмбалшық, балшық.

Негізгі сұрақтары: Топырақтың фазалық құрамы. Топырақтың қатты фазасының құрамы. Фракциялар бойынша элементарлық топырақ бөлшектерін жіктеу. Топырақтың және топырақ түзуші жыныстардың гранулометрлік құрамын Н.А.Качинский бойынша жіктеу. Топырақтың және топырақ түзуші жыныстардың минералдық құрамы. Топырақтың біріншілік және екіншілік минералдары. Қарапайым тұздардың, гидрототықтардың және тотықтардың минералдары. Топырақтың жеке фракцияларының минералдық құрамы. Топырақ түзілуде және топырақтың құнарлылығында екіншілік минералдардың рөлі.

Мазмұны

Топырақтың фазалық құрамы: Топырақ - күрделі дене, ол бірнеше фазалардан тұрады: қатты фаза (минералдық және органикалық), сұйық фазасы (топырақ ерітіндісі), газды фазасы (топырақ ауасы) және тірі фазасы (топырақтағы тірі организмдер). Бұл фазалар бір-бірімен өте тығыз байланыста болады.

Сонымен бірге топырақ ашық жылжымалы жүйе, өйткені ол биосфераның басқа жүйелерімен үздіксіз қарым-қатынаста болып тұрады.

Топырақтың табиғи дене ретіндегі ерекшелігі - ол өте күрделі зат құрамдары және негізгі көрсеткіштерінің өзгерулерінің заңдылықтары бар болуы. Сонымен қатар ерекше, тек топыраққа қана тән органикалық заттары (қарашірінді), химиялық элементтерінің әр түрлі құрамдарының болуы.

Топырақтың қатты фазасы топырақтың табиғи көлемінің 50-60%-ын алады. Қатты фаза құрамына топырақтың минералды және органикалық бөліктері жатады, ал минералды бөлік топырақтың қатты фазасының негізін құрайды. Топырақтардың құнарлы қара шіріндісіне (гумусқа) бай беткі қабатының үлесіне бүкіл қатты фазаның 90-95%-ы, төменгі қабатына 99% және одан да жоғары пайыз тиеді. Топырақтың минералды құрамы негізінен топырақ түзуші жыныстардың минералдық құрамын сақтайды.

Топырақтың сұйық фазасы – бұл топырақтағы ылғал, топырақ ерітіндісі. Топырақтағы құрамы және көлемі бойынша оның өте жылжымалы бөлігі. Сұйық фазаны – топырақ денесінің «қаны» деуге болады, себебі ылғалдың топырақта тік және көлденең жылжуы нәтижесінде топырақ пішінінде қабаттар бөлінеді.

Топырақтың газды фазасы – топырақтағы судан бос кеуектерді толтырып тұрған ауа. Оның құрамы атмосферадағы ауадан өзгеше болады.

Топырақтың тірі фазасы – бұл топырақты мекендейтін және топырақ түзу процесіне қатысатын тірі организмдер.

Табиғатта топырақтар осы барлық фазаларының бірлігі арқылы бір физикалық дене сияқты қызмет етеді.

Топырақтың минералдық құрамы: Майда ұнтақталған тау жыныстары мен олардың топырақтағы минералды бөліктері өзінің пайда болу жағынан екі топқа бөлінеді: алғашқы және екінші. Алғашқы - магматикалық және метаморфикалық аса қатты үгілмеген минералдар. Екіншісі - жердің үгілу немесе топырақ қабаттарында алғашқы минералдардың көпжылдық үзіліссіз үгілуінің нәтижесінде, үгілудің соңғы аса майда ұнтақталған өнімдері түзілген минералдар. Көбінесе екі минералдар топтарының арақатынастары әр топырақтардың әр түрлі аймақтарда орналасуына және минералдардың үгілгіштігіне немесе үгілуге берілмейтін қасиеттеріне қарай әр түрлі болуымен байланысты. Әдетте, алғашқы минералдардың үлесі басым. Топырақ құрамдары неғұрлым ірірек, жеңілірек болса, соғұрлым оның құрамында тасы, құмы мол болады да, ал топырақ құрамы сазды, балшықты болған сайын алғашқы минералдар азайып, екінші минералдар көбейеді. Тіпті балшықты топырақтар түгелдей екінші минералдардан тұрады деуге болады. Ол жағдайға тағы әсер ететін жай - жыныстар мен топырақтарда созылған үгілудің ұзақтығы және үгу агенттерінің белсенділігі. Жылы, әрі ылғалды аймақтарда үгілу құбылыстары белсенді өтетіндіктен, ол өңірлерде негізінен екінші минералдар мол болады.

Алғашқы минералдар: Химиялық құрамы жағынан тау жыныстарындағы алғашқы минералдар - негізінен элементтердің оттегі қосылыстары, тотықтар мен силикаттар. Тотықтарға кварц SіO₂, гепатит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄, рутил TіO₂ т.б., ал силикаттарға дала шпаттары, слюдалар, пироксендер, амфиболдар және оливиндер жатады. Кварц - ең кең тараған минерал. Жер астынан атқылаған, шөгінді, үйінді және топырақ құрамындағы тау жыныстарында ол 25-40% мөлшерде, ал кварцты құмдар мен құмтастарда 90%-дан астам мөлшерде болады. Кремний оттегі қосылысы бекем қаңқалы құрылым түзгендіктен, үгілу құбылыстарына да берік болады. Сондықтан олар топырақтардың элювиалды қабаттарында қалдықты минерал ретінде көп кездеседі. Топырақта гематит пен рутил не бары 0,5% -дай ғана.

Силикаттар - көп таралған минералдар тобы. Мұнда да кремний оттегі қосылыстары SіO₄, берік төртбұрышты қаңқалы құрылым құрап, басқа иондар арқылы жалғасады.

Қаңқалы силикаттар тобына көп тараған дала шпаттар минералдары жатады. Олардың қаңқаларының ортасында кремний және алюминий иондары орналасқан. Ал төртбұрышты қаңқалар кальций, натрий және калий иондарымен жалғасқан. Дала шпаттары SіO₂:Al₂O₃ қатынастары 5-6-ға тең болған жағдайда қышқылды, ал ол қатынас 2-3-ке азайған кезде негізді болып саналады. Қышқылды дала шпаттары құрамында калий мен натрий бар. Олардың қатарына кең тараған калийлі дала шпаты - ортаклаз немесе микроклин - K(AlSі₃O₈) және натрийлі дала шпаты - альбит - Na(AlSі₃O₈). Ал негізгі дала шпаты қатарына - анортит Ca(Al₂Sі₂O₈) жатады.

Қышқылды дала шпаттары мен негізгі дала шпаттарының қосылыстарынан плагиоклаздар тобы құралады. Қышқылды дала шпаттары ашық, ал негізгі дала шпаттары күңгірт түсті келеді. Сонымен қатар қышқылды дала шпаттары үгілу құбылыстарына беріктігі күшті. Ең берігі калийлі дала шпаты - микроклин. Бос шөгінді жыныстар мен топырақтар құрамында әр түрлі үгілуге ұшырайтыны дала шпаттарының жартысына жуығы.

Силикаттар тобына слюдалар да жатады. Олар табиғатта күрделі кристалл-химиялық құрылымды болып кездеседі. Алюмосиликаттардың ерекшелігі - олардың құрамында калиймен қоса магний, темір иондары мен ОН ионының болуы. Калийлі слюда - мускавит K(AlSі₃O₁₀)-(OH)₂ ақшыл, ал магнийлі-темірлі слюда - биотит K(MgFe)₃.(AlSіO₁₀).(OH)₂ күңгірт түсті. Слюдалардың тау жыныстары мен топырақтағы үлесі - 4-5%.

Силикаттардың келесі тобын пироксендер мен амфиболдар түзейді. Олар негізінен күңгірт, жасыл түсті минералдар.

Пироксендерден көп тарағаны - авгит, ал амфиболдардан көп тараған минералдар - роговая обманка. Пироксендердің кристалл-химиялық формуласы: R₂(Sі₂O₆), ал амфиболдардікі: R₇(Sі₄O₁₁)(OH)₂. Олардың топырақтағы жалпы мөлшері - 5-15%.

Силикаттарға жататын тағы бір кең тараған минерал оливин: (Mg, Fe)(SіO₄). Олардың көлемі бос жыныстар мен топырақта 0,5-1%-дан аспайды.

Алғашқы жыныстар түзуші минералдар - фосфаттар. Олардан көп тарағаны - апатит - Ca₅(ClF)(PO₄)₃. Бос жыныстар мен топырақтарда 0,3-0,5%- кездеседі. Апатит - фосфордың көзі, оған қоса мұнда хлор мен фтор да кездеседі.

Оттегінсіз, алғашқы минералдар қатарына сульфидтер жатады. Олардан көбірек тарағаны - темір сульфиді: FeS₂ - пирит. Олар шашыраңқы түрде кездеседі, мөлшері 0,3-0,5% аспайды. Бұлардан басқа топырақта бос жыныстар мен кейбір алғашқы минералдар кездеседі.

Екінші минералдардың түзілуі: Сонымен жоғарғы сипатталған алғашқы минералдардың көп жылдар бойы әрі қарай үгілулерінің нәтижесінде майда ұнтақталған, яғни екінші минералдар пайда болады. Алғашқы минералдарды үгуші агенттер: су, оттегі, көмір қышқылы, әр түрлі органикалық қосылыстар. Олардың минералдарға әсерлері негізінен төменгі құбылыстар арқылы жүзеге асады.

Гидротациялану (сулану) - сусыз минералға су молекуласының қосылуы. Бұл құбылыс тотықты алғашқы минералдардың сумен қосылып, үгілудің нәтижесінде екінші минералдарға айналады. Мысалы:

гетит - Fe₂O₃+H₂O=2FeO(OH)

гидрогетит - 2FeO(OH)+H₂O=Fe₂O(OH)₂

лимонит - Fe₂(OH)₂+nH₂O=2Fe(OH)₃ nH₂O

Тотығу: Үгілу кезінде алғашқы минералдар ішіндегі тотықпаған минералдар тотығады. Ондай минерал жоғарыда сипатталған темір сульфиді.

2FeS₂+7O₂+2H₂O=2FeSO₄-H₂SO₄ одан әрі FeSO₄+O₂-H₂O=Fe(OH)₃-H₂SO₄, одан әрі H₂SO₄+CaAl₂Sі₂O₈+4H₂O=H₂Al₂SіO₈2H₂O+CaSO₄-2H₂O,

яғни бөлінген күкірт қышқылы алғашқы минералмен реакцияға түсіп, ондағы негіздің орнына сутегі ионы барып, екінші минерал - каолин балшығын түзеді. Күкірт қышқылы басқа силикаттармен реакцияларға араласқанда тағы да басқа екінші минералдар, күкірт қышқылы тұздары түзіледі. Ол жағдайлар одан ары реакцияларға жол ашады.

Ыдырау немесе гидролиз: Силикаттардың ыдырауы ондағы негізгі иондардың сутегі ионымен алмасуы арқылы жүзеге асады. Сутегі ионының көзі есебінде суда еріген көмірқышқылы мен органикалық қышқылдардың иондары атқарады.

Ыдырау құбылыстары және ыдыраған заттардан екінші минералдардың синтезделуі көптеген балшықты минералдардың түзілуіне әкеледі. Балшықты минералдардың ұнтақтығы соншалық, олардың диаметрлері микро мм және одан да ұсақ бөлшектерімен өлшенеді. Олардың ұнтақтығы балшықты минералдарға коллоидтық қасиет береді. Олар көбінесе теріс зарядты болады да, катиондарды жұтып алу қасиетіне ие болады. Коллоидтар сияқты ерітіндіге немесе тұнбаға айналады. Олардың кейбіреулері ылғалданғанда ісінеді. Ол минералдар қабатты силикаттар тобына (екі, үш, төрт қабатты) SіO₂:Al₂O₃ қатынасы 2-5 арасында. Олардың барлығы суланған.

SіO₂:Al₂O₃ екіге тең болғанда екі қабатты минерал түзіледі, олардың қатарларына каолинит Al₄Sі₄O₁₀(OH)₈ және галлуазит Al₄Sі₄O₁₀(OH)₈ 4H₂O жатады. Каолинит слюдалар дала шпаттары үгіліп K, Na, Ca, Mg, аздап SіO₂ шайылған кезде пайда болады. Ол берік минерал, сондықтан негіздері аз қабаттарда мол кездеседі.

Үшқабатты минералдарда калий, магний, кальций және гидроксиния (Н₃О) иондары кездеседі. Қаңқалы құрылымдарда кремнийдің бір бөлігі алюминиймен, ал алюминийдің бір бөлігі - темірмен, магниймен алмастырылған. Сондықтан

SіO₂:Al₂O₃ арақатынастары өзгеріп тұрады. Бұл топырақтағы минералдарға гидрослюда, иллит, вермикулит, монтморилонит, бейделлиттер жатады. Алғашқы үш минерал қышқылы аз ортада, ал соңғы екеуі кальций мен магний мол сілтілі ортада түзіледі. Гидрослюда мен иллит - негізінен калийлі алюмосиликат, ал монтмориллонит - кальцийлі-магнийлі. Вермикулит пен хлорит (төрт қабатты силикат) мол магнийлі, біршама темірі бар. Олар әдетте мускавит пен биотиттің үгілуінен түзіледі.

Алғашқы силикаттардың суланып, екінші минералдарға көшкен кезінде біршама кремний босайды. Олардың біразы еріп, ағып кетеді де біразы күшті суланып, аморфты күйінде SіO₂пH₂O шөгеді. Кеуіп, біршама суын жоғалтқанда опалға, ал кристалданғанда халцедонға айналады. Кремний жетпеген жағдайда алюминий су тотығы таза күйінде кристалданып, Al₂O₃nНО боксит, Al(OH)₃ гибсит немесе AlO(OH)₃ бемитит түзеді. Бұлар - ылғалды субтропикті, тропикті аудандардың үгілген минералдары. Ал темір құрамды силикаттар үгілген кезде авгит, роговая обманка, оливин темірдің су тотығы босап, ол судан босап. кристалданған кезде бірте-бірте лимонитке, гидрогетитке, гетит пен екінші гематитке айналады. Бұл минералдар қызғылт сарыға боялған.

Екінші минералдардың тұрақтылығы: М.Джексон (Глазовская М.А., 1981) екінші минералдардың үгілуге және еруге шыдамдылығы жөнінен төмендегідей бөлген:

1. Гипс, галит, мирабилит т.б. тұздар,

2. Кальцит, арагонит, доломит.

3. Хлорит, нонтронит.

4. Иллит, мускавит, серицит.

5. Вермикулит.

6. Монтмориллонит, бейделлит.

7. Екінші диоктаэрикалық хлорит.

8. Аллофаны, каолинит, галлуазит.

9. Бемит, гиббсит.

10. Гематит, гетит, лимонит.

Саны өскен сайын шыдамдылығы артады.

Топырақтың механикалық құрамы

Топырақтың қатты минералдық бөлігі негізінен топырақ түзілу процестерінде әр түрлі өзгерістерге ұшыраған аналық жыныстардан тұрады. Аналық жыныстар топырақ түзу процесінде топырақ түзуші факторлардың әсерінен өсімдік тіршілігіне қажетті заттарға байыған, толтырылған ортаға айналады.

Топырақтың механикалық құрамы деп, оның көлемі жөнінен әр түрлі түйіршік бөлшектерден тұратынын айтады. Топырақ түйіршіктері неғұрлым майда болса, соғұрлым топырақтар балшықты-сазды келеді. Ал топырақ түйіршіктері ірілеу болған жағдайда ол құмдақ немесе құмды болады. Егер де топырақ құрамында майда түйіршіктер мен ірілеу түйіршіктер аралас кездессе, бұл топырақтар құм-балшықты топырақтар болып саналады. Әдетте, топырақ негізінен майда ұнтақталған түйіршіктерден тұратын болғандықтан, түйіршік көлемі оның диаметрінің ұзындығымен өлшенеді, ал диаметр ұзындығы мм-мен есептелінеді. Топырақтану саласындағы ірі ғалым профессор Н.А.Качинскийдің зерттеуі бойынша топырақ құрамындағы түйіршіктер өздерінің көлеміне қарай төмендегідей бөлінеді: диаметрі 3 мм-ден іріректері - тастар, 3 мм-ден 1 мм-ге дейін – қиыршық тастар, 1 мм-ден 0,5 мм-ге дейін ірі құм, 0,5 мм-ден 0,25 мм-ге дейін орташа құм, 0,25 мм-ден 0,05-ке дейін – майда құм, 0,05 мм-ден 0,01 мм-ге дейін ірі шаң, 0,01 мм-ден 0,005 мм-ге дейін орташа шаң, 0,005 мм-ден 0,001 мм-ге дейін майда шаң, ал диаметрі 0,001 мм-ден кішілеу - тозаң, 0,0001 мм-ден кішілері - коллоидтар.

Кесте--Топырақтарды механикалық құрамына байланысты топтастыру

( Н.А.Качинский бойынша )

Топырақтың механикалық құрамының топырақ түзуде, топырақты ауыл шаруашылығы және басқа мақсаттарға пайдалануда маңызы зор. Топырақтың механикалық құрамымен оның кеуектілігі, су сыйымдылығы, ылғал өткізгіштігі, ылғалды жоғары көтеру қасиеті, қоректі заттарды жинау мүмкіншілігі, ауа - жылылық режимдері сияқты қасиеттері тығыз байланысты.

Құмды және құмдақ топырақтардың құрылымы (структурасы) нашар келеді әрі әр түрлі ірірек бөлшектерден тұрады. Ылғалды жақсы өткізеді, қолайлы ауа - жылу режимдері болады. Мұндай топырақты өңдеу де өте оңайға түседі. Бірақ та бұл топырақтар қоректік заттарға және қарашірікке кемшіл болады, себебі олар ылғалмен жуылып-шайылып кетеді де онда өсімдіктер сирек өсіп, жөнді қалдықтар қалдырмайды. Ал балшықты топырақтар, керісінше, ылғалды аз өткізеді, су сыйымдылығы мол болады. Ылғал бергіштігі, ауа режимі нашар. Бұл топырақтарды жырту да оңайға түспейді. Дегенмен бұл топырақтар қоректік заттарға бай, құнарлы келеді.

Ауыл шаруашылығына пайдалануға ең қолайлы топырақтар - құрамында құмды түйіршіктер мен балшықты түйіршіктер қабаттасып келетін құм-балшықты топырақтар. Бұл топырақтарда құмды бөлшектер мен балшықты бөлшектердің пайдалы қасиеттері үйлесе келіп, топырақтың ылғал - ауа режимдерін жақсы ұстап, топырақ құнарлылығын арттырады.