Современные процессы трансформации глинистых минералов в подзолистых почвах: физическое и математическое моделированиеНИР

Modern processes of clay transformations in podzolic soils: pshysical and mathematical modeling

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Кристаллохимическая характеристика синтетического почвенного хлорита и тест-биотита после его годичного пребывания в горизонте AEL подзолистой почвы
Результаты этапа: Исследования трансформации биотита и смектита проводили на территории Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника. Илистую и тонкопылеватую фракции биотита и илистую фракцию Na-смектита и искусственного почвенного хлорита помещали в контейнеры, сделанные из синтетического нетканого материала. Контейнеры с тест-биотитом помещали (в 10-кратной повторности) под ели 30-40 летнего возраста, а контейнеры со смектитом и искусственным почвенным хлоритом (в 5-кратной повторности для каждого минерала)  под ель 7-ми летнего возраста в горизонт AEL подзолистой почвы. Через год образцы тест-биотита были извлечены из почвы. Для проведения рентгендифрактометрического анализа образцы, включая исходный биотит, были переведены в Ca-форма насыщением из 1М раствора СаCl2. Насыщенные ионами Са2+ образцы отмывали от ионов Cl- . Съемку ориентированных препаратов проводили на приборе ДРОН-3 с использованием Cu-k излучения, фильтрованного Ni в диапазоне от 1,5 до 62 0 2. Шаг съемки составил 0,05 02, время экспозиции 10 с. Съемку образцов производили в воздушно-сухом состоянии, после насыщения этиленгликолем и после 2-х часового прокаливания при температурах 350 °С и 550 °С. Для изучения структурных особенностей биотита до и после его пребывания в почве был использован метод полнопрофильного моделирования экспериментальных дифракционных картин. В ходе проведения однолетнего полевого эксперимента установлено, что с фракцией средней пыли и илистой фракцией биотита, помещенных горизонт AEL подзолистой почвы, происходят трансформационные изменения. Основным процессом трансформации биотита является процесс вермикулитизации. Этот процесс сопровождается потерей межслоевого К и уменьшением содержания Mg и Fe в октаэдрической сетке. Вермикулитизация биотитовых слоев приводит к образованию ≈ 5 % биотит-вермикулита во фракции средней пыли и ≈ 18 % смешанослойного минерала в илистой фракции. Биотит-вермикулит во фракции средней пыли состоит из 90 % слюдистых слоев и 10 % вермикулитовых слоев, а в илистой фракции смешанослойного минерала содержится 80 % слоев биотита и 20 % слоев вермикулита. В лабораторных условиях путем насыщения Na-смектита алюминием был получен почвенный хлорит. На основании анализа рентгенограмм можно заключить, что полученный почвенный хлорит представляет собой смешанослойный минерал с двумя типами межслоев, содержащих ионы Na+ или полигидроксокатионы алюминия.
2 9 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Оценка трансформационных изменений биотита в течение трехлетнего пребывания в подзолистой почве
Результаты этапа: В течение 3-х лет пребывания биотита фракции средней пыли в почве с минералом произошли более существенные изменения. Практически во всех повторностях на рентгенограммах исходных образцов появляется в той или иной степени выраженный 14 А рефлекс, который немного смещается в сторону малых углов при насыщении этиленгликолем, а решетка минерала сжимается до 10 А при прокаливании. Появляется диффузное рассеяние, а в некоторых образцах и самостоятельный пик в области 11-12 А, которые смещаются в сторону больших межплоскостных расстояний при насыщении этиленгликолем. Из результатов моделирования, проведенного для одного из образцов, можно заключить, что биотита в нем содержится около 23 %, около 48 % приходится на неупорядоченный смешанослойный минерал, в котором кроме биотитовых слоев присутствуют 5 % вермикулитовых слоев и 5% слоев почвенного хлорита. Около 25 % в образце содержится неупорядоченного биотита вермикулита, на 50 % состоящего из неоднородных вермикулитовых слоев. В небольших количествах в образце присутствуют дискретные фазы – внрмикулит и почвенных хлорит. В процессе проведения эксперимента с илистой фракцией так же произошли изменения аналогичные изменениям тест-минерала во фракции средней пыли. После года пребывания в почве на рентгенограммах образцов появляется уширение основания отражения 1-го порядка слюды, которое наиболее выражено при насыщении образца этиленгликолем. Это уширение связано с появлением в образце около 18 % биотита-вермикулита, в составе которого присутствует около 20 % однородных вермикулитовых слоев. После 3-х лет пребывания в почве на спектрах появляется либо 14 А рефлекс, либо диффузное рассеяние в области 11-12 А, которые смещаются в сторону больших межплоскостных расстояний при насыщении этиленгликолем который немного смещается в сторону малых углов при насыщении этиленгликолем и решетка сжимается до 10 А при прокаливании. Указанные изменения обусловлены, прежде всего, появлением в образце продуктов трансформаций слюды – неупорядоченного биотита-вермикулита-почвенного хлорита неупорядоченного биотита – вермикулита. Дискретных фаз (вермикулита и почвенного хлорита) в образце содержится около 1 %. Из вышесказанного можно заключить, что основными механизмами трансформации слюды фракции средней пыли в лабильные структуры являются потеря межслоевого К, понижение заряда слоя, потеря железа и магния из октаэдров и значительное уменьшение толщины кристаллитов. Механизмы трансформации биотита илистой фракции аналогичны рассмотренным выше, однако ввиду большего исходного содержания мания в октаэдрах его потери при трансформации более значительны, чем во фракции средней пыли. Хлоритизация лабильных слоев наблюдается как в дискретной фазе вермикулита, так и в составе биотита-вермикулита. При этом степень заполнения межслоев полимерами гдроксокомплексов получилась разная. Трансформация биотита сопровождается изменением толщины кристаллитов. Во фракции средней пыли толщина кристаллитов за три года уменьшилась в среднем в 3 раза, а илистой фракции в 1,5 – 2 раза.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Оценка вклада различных компонентов почвенной биоты в трансформацию биотита
Результаты этапа: Исследования трансформации биотита, смектита и искусственно созданного по смектиту почвенного (алюминизированного) хлорита (HIS) в горизонте AELоа подзолистой почвы в условиях современного педогенеза проводили на территории Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника. Проведены три серии экспериментов. В первой серии экспериментов изучали трансформацию тест-биотита в составе тонкопылеватой (5-10 мкм) и илистой фракции (< 1 мкм) в течение 1 года и 3-х лет пребывания в горизонте в почве. Во второй серии опытов оценивали вклад в трансформацию биотита тонких корней растений, грибных гиф и почвенного раствора в течение 2-х и 4-х лет. В третьем эксперименте изучали начальные стадии трансформации смектитов с разным составом межслоев. Использованный в работе прием физического моделирования в реальных почвенных условиях позволил изучить механизмы и динамику процессов трансформации биотита и смектита в многофакторных условиях естественной среды горизонта AELоа подзолистой почвы. Математическое моделирование применяли для создания моделей экспериментальных дифракционных картин тест-минералов биотита и смектита и продуктов их трансформаций. Этот вид моделирования позволил определить некоторые структурные параметры минералов и их изменения в процессе трансформации в условиях современного педогенеза. В условиях современного почвообразования в горизонте AELоа подзолистой почвы биотит трансформируется в лабильные структуры. Появление в кристаллитах биотита лабильных вермикулитовых слоев наблюдается уже через 1 год пребывания в почве минерала и приводит к образованию небольшого количества неупорядоченного биотита-вермикулита. Через два года под елями 7-летнего возраста и через три года под елями 14-17 летнего возраста трансформация биотита проходит до более глубоких стадий и приводит к уменьшению количества кристаллитов биотита и увеличению содержания неупорядоченного биотита-вермикулита с большой долей вермикулитовых слоев и появлению небольших количеств вермикулита. Через 4 года пребывания в почве под елями 7-летнего возраста доля вермикулита и смешанослойных минералов в составе тест-образца возрастает. Основными механизмами трансформации биотитовых слоев в вермикулитовые является потеря межслоевого калия, железа и магния из октаэдрической сетки. Вермикулитизация сопровождается увеличением содержания обменного Mg2+ и ЕКОэфф. и уменьшением размеров кристаллитов по оси с. По образованным из биотита вермикулитовым слоям образуются алюминизированные хлориты (HIV). Установлено, что алюминизированные слои присутствуют в составе смешанослойных биотита/вермикулита/HIV и возможно в небольших количествах как самостоятельная фаза. Алюминизация приводит уменьшению ЕКОэфф. и появлению в обменной форме алюминия. Установлено, что вермикулитизация и образование HIV наиболее интенсивно происходит при воздействии на биотит гиф грибов и тонких корней растений и в меньшей степени – почвенного раствора. На начальных этапах грибные гифы могут ингибировать алюминизацию, предположительно в результате выделения щавелевой кислоты, которая является сильным комплексообразователем и при небольших количествах гидроксокомплексов алюминия в растворе может препятствовать полимеризации их в межслоях вермикулита. Одного года пребывания в горизонте AELоа в подзолистой почве оказалось достаточно для алюминизации смектита. Наблюдаемая в эксперименте алюминизация Na-смектита и увеличение степени алюминизации Na-Al-смектита являются результатом того, что в течение одного года проведения эксперимента процесс полимеризации аквагидроксокомплексов алюминия в межслоях смектита в целом доминировал над процессом деполимеризации. Хлоритизация смектита приводит к образованию неупорядоченного смешанослойного минерала, состоящего из смектитовых слоев, межслоевые промежутки которых заполнены катионами Ca2+ и слоев с межслоевыми промежутками, частично заполненными полигидроксокатионами алюминия и катионами Ca2+ . За один год проведения эксперимента дискретная фаза алюминизированного хлорита не образовалась.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен