ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2007, № 4, с. 474-486
МИНЕРАЛОГИЯ И МИКРОМОРФОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.43
МИНЕРАЛЫ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ НА КРАСНОЦВЕТНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ПРЕДУРАЛЬЯ
© 2007 г. Ю. Н. Водяницкий1, А. А. Васильев2, В. Ю. Гилев2
1 Почвенный институт им. В В. Докучаева РАСХН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
2 Пермская государственная сельскохозяйственная академия им. Д.Н. Прянишникова,
614600, Пермь, ул. Коммунистическая, 23 Поступила в редакцию 09.02.2006 г.
В почвах на красноцветных отложениях Предуралья гематит не обеспечивает теоретической красноты в силу влияния конкурирующих пигментов: гумуса в верхних горизонтах и Fe(П) в оглеенных. Цвет почвы сильнее зависит от минимальных (весенних) значений показателя парциального давления водорода гНмин, чем средних за весь период наблюдений гНср. Содержание гематита снижается в оглеенных и в гумусовых горизонтах, несмотря на отсутствие морфологических признаков огле-ения, из-за маскирующего влияния гумуса. Глеевые горизонты неоднородны по состоянию железа. В условиях максимального переувлажнения в глеевом горизонте перегнойно-гумусово-глеевой почвы фиксируется современная редукция гематита до Ре(П), о чем свидетельствуют низкие значения гНмин < 19. В менее увлажненных темногумусово-глеевых почвах, наблюдается высокий показатель парциального давления водорода гНмин > 19, что характеризует оглеение как унаследованное. При значениях Енмин ниже 320 мВ в самой переувлажненной перегнойно-гумусово-глеевой почве отмечается обратная зависимость магнитной восприимчивости % от Енмин. При этом восста-новленность сильномагнитных оксидов железа возрастает с 0.3 до 1.0 за счет уменьшения доли маг-гемита уРе203 и увеличения доли магнетита Fe304.
ВВЕДЕНИЕ
Минералогия почв Предуралья издавна привлекает внимание ученых. Это связано во многом со спецификой почвообразующих пород, сформировавшихся на красноцветных пермских отложениях. Красным пигментом красноцветных отложений Предуралья служат частицы гематита аРе203, которые наследуются почвой [1]. Гематит неустойчив в гумидном климате Предуралья. В условиях переувлажнения и обилия органического вещества, выступающего как источник энергии и электронный челнок [23-25], гематит редуцируется в периоды уменьшения Ен, а при его последующем подъеме Fe(II) окисляется до гидроксидов железа.
Оглеение идентифицируют по отрицательному логарифму парциального давления водорода гН почвенного раствора: гН = 2 (ре + рН). В Международной базе почвенных данных [29] для оглеенных почв принято гНкрит = 19. Ниже этого значения в ходе измерения фиксируется актуальная, сиюминутная редукция Fe(OH)3 до Fe2+. Когда эта реакция прекращается в силу иссушения почвы, либо исчерпания источника Fe(III), т.е. недостатка Ре(Ш)-ми-нералов с достаточно высокой энергией Гиббса ДG0, либо при нехватке органического вещества как источника энергии, необходимого для протекания этой эндотермической реакции, то показатель гН возрастает. Если в оглеенных горизонтах наблюдается гН > 19, то морфологически мы фиксируем остаточный глей при создавшихся окисли-
тельных условиях в горизонте. Такой остаточный глей очень распространен в почвах лесной зоны, хотя в тундровых почвах часто редукцию Fe(III) фиксируют по низкому показателю гН < 19 [13]. Поэтому для понимания состояния оглеенных горизонтов необходимы режимные наблюдения. Целесообразно сопоставить содержание и состав (гидр)оксидов железа со значениями показателя гН почвенного раствора.
Присутствие гематита аFe2O3 как красноцвет-ного пигмента в почвах Предуралья не вызывает сомнений. Но зависимость цвета почвы от содержания гематита не была изучена, из-за нерешенной проблемы количественной характеристики цвета почвы. Сейчас с развитием оптической системы ОЕ-Ь*а*Ь* [10, 17] появилась возможность решить эту задачу корректно.
Другой вопрос связан с судьбой гематита, который неустойчив в гумидном климате Предуралья. В условиях переувлажнения и обилия органического вещества, выступающего как источник энергии и электронный челнок [23-25], гематит редуцируется в периоды уменьшения Ен, а затем Fe(II) окисляется до гидроксидов железа. Ранее в почвах Предуралья с помощью электронной просвечивающей микроскопии обнаружили два основных гидроксида железа: гетит аРеООН и фе-роксигит бРеООН [6-8]. К сожалению, применявшийся метод микродифракции электронов качественный и не позволяет определить содержание ге-
тита и фероксигита в почвах. Количественный метод мессбауэровской спектроскопии дает такую возможность, но с определенными ограничениями. Определить содержание фероксигита можно только при глубоком охлаждении образца до гелиевой температуры (4 К). Но количество гетита можно определить и при комнатной температуре. Это и было нами выполнено, что позволило оценить влияние гидроморфизма почв на степень развития гид-роксидогенеза железа.
И, наконец, третья проблема, которую мы решали - изучение геохимии магнетита и маггемита в данных почвах. Магнетит FeOFe2Oз и маггемит YFe2O3 имеют изометрическое кристаллическое строение и относятся к типу шпинелей. Оба минерала при комнатной температуре ферримагнит-ны, оба обладают высокой магнитной восприимчивостью. С новообразованием магнетита и маггемита связывают высокую магнитную восприимчивость гумусовых горизонтов автоморфных почв [1, 4, 14].
Параметры элементарной кубической решетки обоих минералов близки: у магнетита а0 = 0.839, у маггемита а0 = 0.834 нм. Это практически исключает их различение методами рентгенофазового и электронно-микроскопического анализа. В силу низкого содержания в почвах (обычно менее 0.1%), идентификация этих оксидов железа методом мессбауэровской спектроскопии также затруднена.
Нами разработан магнито-химический подход к изучению этих оксидов [7]. Благодаря разному окислительному состоянию железа, оксиды по-разному реагируют на обработку традиционными химическими реактивами Тамма и Мера-Джексона. Реактив Тамма в значительной мере растворяет магнетит [4-6, 26], а реактив Мера-Джексона слабо растворяет магнетит и сильно - маггемит [20]. По нашему мнению, основная причина кроется в различной степени окисленности Fe. Маггемит уРе203, содержащий только Fe3+, как сильный окислитель, оказывается неустойчивым к редукции ди-тионитом. Магнетит Fe3O4, в структуру которого также включены ионы Fe2+, является восстановителем и поэтому устойчив к редукции дитионитом. Но эти реактивы помимо магнетита и маггемита растворяют и другие (гидр)оксиды железа. Поскольку из всех экстрагируемых минералов только у магнетита и маггемита высокая магнитная восприимчивость, то можно использовать особенность экстрагируемых соединений железа для отделения вклада слабомагнитных минералов [7].
Цели работы: 1) установить зависимость цвета почв от содержания гематита и показателя парциального давления водорода гН почвенного раствора; 2) установить масштабы потери литоген-ного гематита и новообразования педогенного гидрогетита в переувлажненных почвах на красно-
цветных пермских отложениях; 3) изучить геохимию магнетита и маггемита в почвах Предуралья.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Изучали две катены в Пермской обл. Катена Орлы в Ильинском р-не протяженностью около 800 м представлена тремя разрезами, включающими агролитозем темногумусовый, агробуро-зем и темногумусово-глеевую почву. По гранулометрическому составу почвы относятся в основном к легкой глине. Катена Соболи в г. Пермь протяженностью около 2000 м представлена пятью разрезами, разнородных по гранулометрическому составу почв: агродерново-подзолистой (средний суглинок), агродерново-подзолистой глееватой (тяжелый суглинок), темногумусово-глеевой, перегнойно-гумусово-глеевой (обе легкие глины) и агробуроземом (легкая глина, подстилаемая супесью). Общие свойства почв приведены в табл.1.
Количество валового железа в почве определяли рентгенфлюоресцентным методом на приборе Теа-61П. Формы соединений железа исследовались после двух параллельных обработок: кислым оксалатом аммония по Тамму ^е окс) и дитионит-цитрат-бикарбонатом по Мера-Джексону ^е дит) [6]. Определение Fe окс и Fe дит после каждой из обработок проводили атомно-аб-сорбционным методом на спектрофотометре AAS-3.
Определение магнитной восприимчивости выполняли на каппа-бридже KLY-2. Вначале определяли магнитную восприимчивость у исходных образцов почвы %исх, а затем у остатков почвы после обработки дитионит-цитрат-бикарбонатом Хдит или кислым оксалатом аммония %окс. Эти данные использовали для определения содержания в почве растворимых оксидов железа магнетита Fe3O4 и маггемита yFe2O3, согласно методике [7]. Далее определяли простое отношение между магнетитом и маггемитом. Но так как оно может обращаться в бесконечность, что неудобно при статистических расчетах, использовали также другой критерий - показатель восстановленности сильномагнитных оксидов железа Квм, как долю Fe2+ к сумме железа в двух степенях окисления:
Квм = n0.34Fe2+ : [mFe3+ + п (0.66Fe3+ + 0.34 Fe2+)],
где п и т - содержание магнетита и маггемита в почвах; 0.34 и 0.6б - множители, отражающие долю Fe2+ и Fe3+ в стехиометрическом магнетите. Показатель восстановленности сильномагнитных оксидов железа Квм варьирует в границах от 0 (когда нет магнетита) до 1 (когда нет маггемита).
Редокс-потенциал ЕН и рН почвенного раствора измеряли в поле при естественной влажности в трехкратной повторности в верхних горизонтах почв в 2005 г. портативным рН-метром Н1-9025
Таблица 1. Основные характеристики почв
Горизонт Глубина, С орг, рН Ил Fe2O3 вал
см % водный %
Агролитозем-темногумусовый, катена Орлы, разр. 71
PU 0-25 2.95 7.5 31 6.26
ССа 25 и > 1.22 7.7 - 2.48
Агробурозем, катена Орлы, разр. 72
PY 0-29 1.51 6.8 27 6.93
ВМ1 29-40 0.46 7.1 33 8.61
ВМ2 40-70 0.58 6.9 27 10.14
ВС 70-110 0.12 7.0 24 10.51
С 110-130 0.17 7.2 12 10.67
Темногумусово-глеевая почва, катена Орлы
AU 2-30 6.09 6.9 26 5.46
ВТм 30-45 0.70 7.4 28 5.07
G 45-59 1.16 7.4 37 5.86
ВТ 59-71 0.41 7.5 37 6.49
С1 105-120 0.23 7.6 24 9.73
С2 120-140 0.29 7.5 32 6.39
Агродерново-подзолистая почва, катена Соболи, разр. 61
PY 0-29 1.62 5.6 15 4.20
EL 29-40 0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.