Ásványok átalakulási folyamatai talajokban
Prof. Dr. Nemecz Ernő
ÁSVÁNYOK ÁTALAKULÁSI FOLYAMATAI TALAJOKBAN
AKADÉMIAI KIADÓ, BUDAPEST
Megjelent a Magyar Tudományos Akadémia támogatásával
ISBN 963 05 8298 8
Kiadja az Akadémiai Kiadó, az 1795-ben alapított Magyar Könyvkiadók és Könyvterjesztők Egyesülésének tagja 1117 Budapest, Prielle Kornélia u. 19. www.akkrt.hu www.szakkonyv.hu
Első magyar nyelvű kiadás: 2006 © Nemecz Ernő, 2006
Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítás, a nyilvános előadás, a rádió- és televízióadás, valamint a fordítás jogát, az egyes fejezeteket illetően is.
Printed in Hungary
Tisztelt Professzorom, Mauritz Béla emlékének
TARTALOM
ELŐSZÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 ÁSVÁNYOK ÁTALAKULÁSA A FELSZÍNEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 ÁSVÁNYOK, KŐZETEK MÁLLÁSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Történeti visszatekintés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 A kőzetek mechanikai mállása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 A mechanikai mállás fontosabb tényezői . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Térfogatnövekedés által okozott mállás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 A kőzetek kémiai mállása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Az oldódási folyamat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 A kémiai mállás mechanizmusa (kinetikája) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Az oldódási folyamat elméleti vizsgálata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Az oldódási/kicsapódási folyamatok sebessége . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 A mállási folyamatok észlelése és értékelése (CIA-indexek) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Fontosabb talajásványok mállási folyamatai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Földpátok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 A földpátoldódás szekunder ásvány képződményei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 A SiO2 polimorf ásványok (kovafázisok) oldhatósága . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 A kovafázisok oldódása és kicsapódása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 A nukleáció . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Piroxének és amfibolok. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Az inoszilikátok oldódási sebessége . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Az inoszilikátok oldódását befolyásoló tényezők . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Ortoszilikátok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Filloszilikátok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Karbonátásványok. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Trigonális szerkezetű (kalcit-típusú) ásványok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Kalcit mintán alapuló szuperszerkezetek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 A magnéziumtartamú kalcit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Ca-gazdag dolomitok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Rombos szerkezetű (aragonit-típusú) karbonátásványok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 A karbonátok oldódása és kicsapódása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Kiválás komplex oldatokból . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 CO2 jelenléte a talajban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 A mállás redoxfolyamataiban részt vevő ásványok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 A vas ásványai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 A mangán ásványai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Filloszilikát ásványok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 A talaj szerves anyagai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Kőzetek mállása természetes viszonyok között . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 A klíma szerepe a kőzet mállásában . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Talajok mállási folyamatai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Felületi tulajdonságok változása a talaj mállása során . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Ásvány felülete és a reakciósebesség . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 A kísérleti és természeti folyamatok összehasonlítása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Az erózió tényezői . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Paleotalajok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 A talaj mint rendszer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 A mállási folyamatok geológiai és civilizációs jelentősége . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 A zárt adatrendszerek használatának problémája . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 ÁSVÁNYOK ÁTALAKULÁSI FOLYAMATAI A VIZSGÁLT TALAJOKBAN . . . . . . . . . . . . . . . 125 A kutatási módszer elve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Mintagyűjtés, vizsgálati módszerek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 A mintavételezés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 A minta előkészítése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 A kvantitatív röntgenvizsgálat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Elektronmikroszkópos vizsgálatok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Az eredmények feldolgozása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 A vizsgálatok összefoglalása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 A vizsgált minták . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A vizsgált minták szemcseeloszlása. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 A D-frakció (20-45 μm) különleges szerepe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 A szemcseösszetétel változása a mélységgel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 A vizsgált minták ásványai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Ásványok a teljes talajszelvényben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Ásványok eredeti eloszlása a szemcsefrakciókban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Az egyes ásványok szerepe a talajokban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Földpátok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Karbonátok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Kalcit és dolomit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Muszkovit és klorit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Agyagásványok a talajokban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Az amorf anyag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Járulékos ásványok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Néhány, a vizsgálatok során felmerült kérdés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 A talajszintek és az ásvány (elem)-eloszlás kapcsolata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 A Ti-tartalom eloszlása és állandósága . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Zeolitok a talajokban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Nyomelemek a talajokban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 ÖSSZEFOGLALÁS ÉS KÖVETKEZTETÉSEK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 FÜGGELÉK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 IRODALOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
ELŐSZÓ Nem láttam még olyan problémát, bármilyen komplikált volt is, melyet, ha a megfelelő módon vizsgáltam, nem vált még komplikáltabbá Paul Anderson
A talaj a regolit élő anyaggal átszőtt legfelső része. Túlnyomóan szervetlen vegyületek, ásványok alkotják, míg szervesanyag-tartalma néhány százalék. Minthogy az atmoszférával érintkezik, annak befolyása alatt áll. A víz, az oxigén, szén-dioxid, a hőmérséklet ingadozása mind szerepet kap a talajásványokban lejátszódó folyamatokban. Ehhez társul a növényi és állati élő anyag működése során felszabaduló szerves vegyületeknek a kémiai környezet kialakításában vitt szerepe, amelynek hiányában per definitionem nem beszélhetünk talajról. A talaj mibenlétével, tulajdonságaival könyvtárnyi irodalom foglalkozik. Ma a kutatások zömének középpontjában, a kifejezetten mezőgazdasági talajtantól eltekintve, a talajképződés első fázisának, a primer ásványok mállási és oldódási sajátságainak vizsgálata áll. Bár a mállás a talaj képződésének kiindulópontja, sőt a képződött talajban is tovább folytatódik, ezen túlmenően azonban az egész geokémiai körfolyamatra kiható jelentősége van. Már a XIX. században foglakoztak az ásványok oldódási jelenségével, azonban a szilikátok rendkívül csekély oldhatósága miatt csak a legutóbbi évtizedekben került sor pontosabb vizsgálatokra. A különböző spektrogáfiai eljárások tették lehetővé az ásványok felületén vizes oldatban végbemenő folyamatok sokféle tényezőjének megismerését. E laboratóriumokban folyó kutatások a minuciózus részletek óriási tömegét halmozták fel, de az egyszerűsítésre való törekvés miatt önkényesen választott kísérleti paramérek, megnehezítik a természeti viszonyokkal történő egybevetést. Ennek a felismerésnek hatására új irányzat is kialakult a mállás természeti körülmények közötti tanulmányozására. Ennek lényege, hogy jól körülhatárolható vízgyűjtő terület levezető folyóvizeinek oldott és lebegve szállított anyagát minőségi-mennyiségi szempontból meghatározzák s az adatokból a terület mállási veszteségét, és a vízhozamot figyelembe véve, a mállás sebességét számítják. Ez az eljárás megvilágítja ugyan a mállási folyamat minőségi-mennyiségi viszonyait adott területre és időtartamra, de nem ad felvilágosítást a tényleges folyamatokról és az eredmény nem vihető át más viszonyok közé. A jelen munka keretében, abból az alapvető tényből kiindulva, hogy a földkéregben zajló anyagi átalakulások – a radioaktív- és élő anyag kivételével – mind az ásvány anyagszervezési szintjén játszódnak le, előtérbe állítottuk a mállás során visszamaradt vagy keletkezett szekunder ásványok vizsgálatát. Nem az „in vitro” folyamatokat és nem a mállás oldott termékeit tanulmányoztuk, hanem a mállás talaj formájában megjelenő
10
eredményét, a szilárd fázisok (ásványok) térbeli minőségi és mennyiségi együttesét. Voltaképpen a regolit mineralógiájáról van szó, de e helyett mégis a talaj kifejezést azért használjuk, mert a kontinensek erősen málló felszínét, mindenütt élő anyag (főleg növényi) borítja és alakítja át a regolit felső szintjét talajjá. A talaj ásványainak mineralógiai szempontú vizsgálata szerény helyet foglal el a szakirodalomban. Ennek okát abban látjuk, hogy a talajtan, mint alkalmazott természettudomány, elsősorban a növénytermesztés nézőpontjából tekinti a talajt, amelyben az ásványos összetétel igen lassan változik és ezért, általános feltételezés szerint, csekély hatást fejt ki a talaj gyakorlatilag fontos tulajdonságaira. Ami a sebességet illeti a talajokban zajló folyamatok két csoportra oszthatók. A folyamatok egy része, mint az ásványok átalakulása, évezredekre terjedően rendkívül lassúak, de a talajok jelen állapota szempontjából mégis fontosak, mert az anyakőzet, és a klíma fogalma alatt összefoglalható tényezők közötti egyensúlyközeli állapotot juttatják kifejezésre. Ennek jelentősége van a talajgenetikában is. A növénytermesztési szempontú talajtan figyelmét viszont inkább a talaj-növény-atmoszféra rendszerben lejátszódó napi, esetleg éves periódusú gyors folyamatok kötik le (tápanyag-, vízellátás-, hőmérséklet-változás stb.). A talaj azonban a lassú és gyors folyamatokat tekintve egyaránt egységes dinamikus rendszerként fogható fel Stebutt (1930) értelmezésében, aki szerint dinamikus az a rendszer, amelynek a stacionárius állapot fenntartásához vagy fejlődéséhez külső energiabevitelre van szüksége. A talaj pedig ilyen rendszer, amelyben ≈ 2 billó km2-nyi felületen, mintegy kémiai reaktorban, állandóan lassú és gyors átalakulási folyamatok zajlanak. Érdeklődésünk e folyamatok ásványos összetételben megmutatkozó jelenségei felé fordultak. Avégből, hogy elkerüljük a kvázistatikus kutatási módszert, vagyis azt, hogy csupán a talaj átlagos ásványos összetételéről kapjunk képet, vizsgálat céljára a talajoszlop anyagából mélység szerint 10 cm-enként vettünk mintát s ezek mindegyikét <5-1000 μm határok között 5–10 szemcsefrakcióra bontottuk és vizsgáltuk. Már a vizsgálatok kezdetén kitűnt, hogy az eredmények értelmezése sok körülmény figyelembevételét feltételezi és a végbemenő folyamatok a legbonyolultabbak közé tartoznak. Maga a talaj, amelyet kézbe veszünk már előzetesen hosszú életet (több 10 vagy 100 ezer évet) élt meg, s kezdeti paramétereit, sőt az idők folyamán reá kifejtett hatásokat sem ismerjük. Ennek következménye, hogy a talaj ásványainak átalakulásával kapcsolatban számos olyan kérdést tehetünk fel, amelyekre adott válaszok gyakran nem kielégítőek. Ezt megérthetjük, ha meggondoljuk a talaj ásványai és tulajdonságai közötti nagy számú összefüggés szerepét. Szendrei (1994) az ásványok 19 és a talajok 24 tulajdonsága között 88 többé-kevésbé szoros kapcsolatot mutatott ki, amelyekben bármely tényező intenzitásának változása az egész rendszeren tovagyűrűzik. Ilyen komplexitásban a talajt vizsgálni természetesen nem lehetséges s ily módon az irodalomban rendszerint egy-két tényező bizonyos szempontú kiemelésével találkozunk. Pl. a talajásvány kolloid állapota befolyással van a talaj diszperzitására, fajlagos felületére, térfogattömegére, porozitására, szerkezetére, víztartó-, vízvezető- fagyálló-, pufferképességére, reológiai sajátságaira, adszorpciós, fixációs tulajdonságaira, tápanyag-gazdálkodására stb. Számos fontos eredményre vezető egyéb kapcsolat is a
11
vizsgálódás előterébe állítható, de ezek külün-külön nem világítják meg az átalakulás tényezőinek együttes hatását a talajban lejátszódó folyamatokra. A talaj egyéb geológiai képződményekkel (pl. gránit, mészkő stb.) ellentétben, makroszkopikusan anizotróp (Jenny 1941), vagyis vektoros sajátságokkal rendelkező képződmény. E megállapítást kifejtve mondhatjuk, hogy a talaj tulajdonságai egy meghatározott iránytól függően sok esetben szisztematikusan változnak, ami kifejezésre jut a Dokucsajev (1883) által elsőként felismert horizontok kialakulásában is. Fenntebbi gondolatokból kiindulva kutatásaink során a talaj ásványos, kémiai oxidos vagy nyomelemi összetételének mélység és szemcsenagyság szerinti értékeit tettük következtetéseink alapjává. A talaj ilyen vizsgálata a rajta végbement mérhetetlen sok átalakulás jelenlegi végeredményét tükrözi, amiből különböző eredetű talajok összehasonlításával a folyamatok egyöntetűségére vagy különbözőségére, vagyis bizonyos fokú törvényszerűségére vonhatunk le következtetést. Ebből következik a könyv tárgyalási menetének beosztása is, amely két fő fejezetre oszlik. Az elsőben a mállással összefüggő jelenlegi fontosabb ismereteket foglaljuk öszsze. Így a termodinamika néhány fontos tételét, az oldódásra, kicsapódásra vonatkozó elméleti és laboratóriumi eredményeket, a reakciók sebesség egyenleteit, a természetben megfigyelt mállási jelenségeket. Mindezeket azonban nem a rendszeresség és teljesség igényével, hanem csak azokat az ismereteket kiemelve, amelyek a saját vizsgálataink értelmezéséhez elengedhetetlenek. Ezek összehasonlítási alapul fognak szolgálni a második fő fejezet anyagához, amelyben az általunk kiválasztott talajok függőleges térbeli és szemcseméretbeli dimenziók szerinti ásványtani, kémiai vizsgálati eredményeit ismertetjük.
