![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Будет проведена серия модельных полевых экспериментов, в которых различные фракции слоистых алюмосиликатов будут помещены в подзолистые почвы ненарушенных ландшафтов южной тайги на разные сроки от 1 года до 4 лет. Технология проведения эксперимента обеспечивает получение информации о влиянии почвенных растворов, тонких корней растений и гиф грибов на кристаллические решетки слоистых силикатов. Оценка изменения кристаллических решеток глинистых тест-минералов будет дана по результатам рентген-дифрактометрического анализа и с использованием приемов математического моделирования экспериментальных дифракционных картин. В результате работы будут оценены направление, глубина и скорость трансформационных изменений глинистых минералов в подзолистых почвах в процессе педогенеза.
Transformations of biotite, smectite and artificially aluminized smectite (HIS) in the course of current pedogenesis were studied in the AELоа horizon of a podzolic soil in the Central Forest Nature Reserve. Three series of experiments were performed. In the first series, test-biotite represented by medi-um silt (5–10 μm) and clay particles (<1 μm) was kept in the soil for 1 year and 3 years. In the second series the contributions of thin plant roots, fungal hyphae, and soil solution to the trans-formation of biotite for 2 and 4 years were evaluated. In the third series, the initial stages of the transformation of smectites with different compositions of the interlayers were studied. The method of physical modeling applied made it possible to elucidate the mechanisms and dy-namics of the of biotite and smectite transformations under variable conditions of the natural en-vironment in the AELоa podzolic soil horizon. Mathematical modeling was applied to simulate the experimental X-ray diffraction patterns of biotite and smectite test minerals and of the products of their transformations. This method ena-bles to determine some structural parameters of minerals and their changes in the process of transformation. In the course of modern soil formation in the AELоz podzolic soil horizon, biotite is transformed into labile structures. The origination of labile vermiculite layers in biotite crystallites is already observed after stay in the soil for one year which results in the formation of a small amount of disordered mixed-layered vermiculite-biotite. After two-year stay in soil under fir trees of 7 years of age and after three years under fir trees of 14-17 years of age, biotite transformation proceeds to more advanced stages which includes a decrease in the number of biotite crystallites, an increase in the content of disordered vermiculite-biotite with a large proportion of vermiculite layers, and the formation of small quantities of vermiculite. After four-year stay in the soil under fir trees of 7 years of age, the proportion of vermiculite and mixed-layer minerals in the compo-sition of the test sample increases. The main mechanisms of transformation of biotite layers into vermiculite involves the loss of interlayer potassium, and that of iron and magnesium from the octahedral layer. Vermiculitization is accompanied by an increase in the content of exchangeable Mg2+ and in the CEC eff. and by a reducing in crystallite sizes along the c axis. Aluminized chlorites (HIV) are produced from vermiculite layers formed in test-biotite. It was established that aluminized layers are present as a component of mixed-layer biotite / vermiculite / HIV and possibly as an individual phase in small quantities. Aluminization reduces the CEC eff. and causes the appearance of exchangeable aluminum in products of test-minerals transfor-mation. It has been established that formation of vermiculites and that of HIV occurs most intensively when biotite is affected by hyphae of fungi and thin roots of plants and, to a lesser extent, by soil solution. At the initial stages, fungal hyphae can inhibit aluminization, presumably as a result of the producing of oxalic acid, which is a strong complexing agent in relation to Al. Therefore un-der conditions of small concentrations of aluminum hydroxocomplexes in solution, fungal hyphae can prevent their polymerization in vermiculite interlayers. The period of one year in the AELoa horizon in podzolic soil was found to be sufficient for the development of smectite aluminization. The revealed aluminization of Na-smectite and an increase in the degree of aluminization of Na-Al-smectite lead to the conclusion, that during one year of the experiment, the polymerization of Al-aquahydroxycomplexes in the smectite interlayers generally dominated the depolymerization process. Chloritization of smectite results in the formation of a disordered mixed-layer mineral consisting of smectite layers whose interlayers are filled with Ca2+ and layers with interlayers partially filled with aluminum hydroxypolycations and Ca2+ cations. During one year of the experiment, an individual phase of aluminized chlorite was not formed.
По завершению проекта будет дана оценка направлению, скорости и глубине современных процессов трансформационных изменений тест-минералов (биотита, смектита и почвенного хлорита) в результате биокосных взаимодействий в подзолистых почвах в условиях ненарушенных южно-таежных ландшафтов.
Авторы имеют опыт проведения полевых модельных экспериментов с тест-минералами. Полученные ранее данные показывают, что трансформационные изменения биотита и смектита в подзолистых и торфянисто-подзолисто-глеевых почвах происходят за короткие промежутки времени (от 1 года до 5 лет). Направление и скорость этих изменений зависит от от химических свойств генетических горизонтов. В аналогичных модельных полевых экспериментах, выполненных исследователями разных стран чаще всего использовался вермикулит. Вместе с тем, в нативных почвах и почвообразующих породах вермикулит в составе тонкодисперсных фракций имеет ограниченное распространение, а триоктадрические слюды и особенно минералы группы смектитов распространены более широко.
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.
грант РФФИ |
# | 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. |
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".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|