Chương 1 Sự hình thành đất

Chương 1Sự Hình Thành Đất Nguyễn Kim Thanh 2010 Chu kỳ đá Igneous rock: low and quick cooling Wearhering and sedimentation Metamorphic rock The rock cycle Soil Development SỰ HÌNH THÀNH ĐẤT (Soil Development) Phong hóa làm gãy vỡ bề mặt đá bở quá trình cơ học hoặc hóa học Sự hình thành đất bởi 5 yếu tố: Climate: khí hậu Topography: địa hình Parent material: đá gốc (rock from which the soil is formed) Time: thời gian biological processes: các quá trình sinh học Quá trình thành tạo Đá biến chất Dòng Magma Climate: Lượng mưa càng cao, thì sự xói mòn càng lớn cũng như sự rửa trôi. Dạng đất laterites hình thành tại vùng khí hậu ẩm nơi chỉ có Al2O3 (Bauxite) and Fe(OH)3 ở lại. Topography: độ dốc bề mặt càng lớn, thì lượng vật liệu bị xói mòn và chuyển ra khỏi nơi đó càng cao. Parent Material: Granites thì trơ trong quá trình phong hoá hơn so với gabbros.  Cát thì trơ hơn đá vôi ở nơi khí hậu ẩm, tuy nhiên đá vôi thì trơ hơn cát tại vùng khí hậu khô cằn (phong hóa). Plant and Animal activity: Plant and animal activity produces humic acids that are powerful erosion agents. Plants can physically erode as well as chemically erode.  Plants stabilize soil profiles, Animals (including man) tend to destabilize the soil profile, increasing erosion. Time: tốc độ phản ứng càng chậm, thì đá phơi bào vẫn tồn tại lâu, và the more likely it is to be weathered. Tốc độ phong hóa là bao lâu? Sự bền của khoáng theo Goldich Dissolution Series Mg-Pyroxene                                      Calcic Plagioclase Mg-Ca Pyroxene                          Calcic-Alkalic Plagioclase Amphibole              Alkalic-Calcic Plagioclase Biotite  Alkalic Plagioclase Potassium Feldspar Muscovite Quartz (SiO2) Tổng quát các trường hợp phong hóa Rocks phân rã thành các khoáng (minerals) Rất chậm Chậm nhanh weathered weathered weathered minerals minerals minerals (Quartz) (Feldspars) (Calcite) Muscovite Disintegration Decomposition Quartz silicate clays Resistant Soluble Decay Products (Ca++, K+, Fe+, (Fe Al oxides) SO4) Khoáng nguyên sinh phong hóa thành khoáng thứ sinhphong hóa: sự chuyển đổi hóa học của minerals (in soils, involves water, gases, acids, etc). Parent material soil Desilication via weathering Parent Material=primary silicates formed from igneous/metamorphic processes Đất = khoáng thứ cấp silicates, oxides, carbonates, v.v... formed from weathering processes Profile đất O - Lớp mùn A - Thịt - sét B – phong hóa C – Đá gốc – phong hóa ĐÁ VÀ KHOÁNG TẠO ĐấT 1. 3 quá trình tạo chất trong chu kỳ đá Đá núi lửa, Đá phong hóa và lắng Đá biến chất 2. Magma Quá trình nguội dần và dạng khóang nguội chậm, nguội nhanh 5 lọai: từ siêu acid SiO2>75% đến siêu bazơ: SiO2Al2Si2O5(OH)4+4H4SiO4+2K+ kaolinite - Tỷ lệ SiO2/Al2O3=2 ->5 Khóang thứ sinh Nhóm sét Nhóm Chlorite: Chlorite (Iron Magnesium Aluminum Silicate Hydroxide) Clinochlore (the chromium variety kaemmererite) (Iron Magnesium Aluminum Silicate Hydroxide) Cookeite (Lithium Aluminum Silicate Hydroxide) KAOLINITE: Al2Si2O5(OH)4, Aluminum Silicate Hydroxide Pyrophyllite: AlSi2O5OH, Aluminum Silicate Hydroxide Talc (Magnesium Silicate Hydroxide) Kaolinite Refractories Kaolinite: Al2O3.2 SiO2.2 H2O or Al2Si2O5(OH)4 Water of Hydration Calcination Mullite: Al6Si2O13 KAOLINITE PYROPHYLLITE aluminosilicates VD nhóm Feldspare Sanidine: [(K,Na)AlSi3O8]4 - Orthoclase: [(K, Na)AlSi3O8]4 Albite: [NaAlSi3O8]4 - Anorthite: Ca[Al2Si2O8] Quá trình phong hóa VD như Thủy phân K Al Si3O8+2H++ 9H2O --->Al2Si2O5(OH)4+4H4SiO4+2K+ kaolinite - Tỷ lệ SiO2/Al2O3=2 ->5 Khóang thứ sinh Sét là sản phẩm của thủy phân và phân hủy kaolinite Chia là 3 dạng: - Sét 1:1: như trong kaolinite và hallosite - Sét 2:1: pyrophylite, illite, vermiculite, và smectilte - Sét 2: 2 terahedral: 1 octahedral + 1 lớp octaredral của MgO hoặc Al(OH)3 Tính chất của các sét trên Sư thay thế Si4+, bởi Al3+ hoặc Fe3+ Thay thế Al, Fe bởi Mg2+ hoặc Mn2+, Cân bằng điện tích VD khoáng zeolite A H12[(AlO2)12(SiO2)12].27H2O Hãy tính lượng khóang zeolite A cần thiết để làm mềm 1 m3 nước với độ cứng là 123ppm theo CaCO3, với hiệu xuất thay thế cation là 80%. (Al: 27;Si:28; Ca:40) Cấu phần chính của đất (Components) 3 quá trình biến đổi Phong hóa: – sự phân rã và phân hủy lớp đất bề mặt trái đất. Quá trình này chỉ diễn ra tại chỗ và ko có sự vận chuyển. Phân biệt với sự xói mòn. Phong hoá cơ/lý học: - sựphân rã lý học của đá thành những phần nhỏ hơn, mà các phần này có đặc tính giống như ban đầu. Xảy ra chủ yếu bởi thay đổi nhiệt độ và áp suất. Phong hóa hoá học: – là quá trình xảy ra bên trong cấu trúc khí thêm hoặc bớt các nguyên tố. Thay đổi theo phase (mineral type) và thành phần của chúng phụ thuộc vào các chất phản ứng từ bên ngoài. Phong hóa hoá học phục thuộc vào diện tích bề mặt cho các động học phản ứng như nhiệt độ và dung dịch hoạt hóa. Như vậy hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn. Source: Tom Bean/DRK Photo Phong hóa cơ học Frost Wedging – sự giản nở của nước khi băng tan. Quá trình tương tự khi đá từ không sang ướt, ở đó các tinh thể muối hoà tan từ đá mọc lên khi đất khô. Frost Wedging Evidence of Frost Wedging in Wheeler Park, Nevada Source: Tom Bean/DRK Photo Rockfall caused by frost wedging Salt Wedging Cơ học (2) Mechanical Exfoliation – tróc mảng cơ học - đá bị vỡ ra theo các lớp nằm song song với mặt đất; khi đá không bị che phủ nó sẽ giản ra (do áp suất bên dưới thấp) tạo ra dạng sự tróc từng mảng (exfoliation) Exfoliation of a Pluton AKA “Unloading “ Exfoliation in Yosemite National Park Source: Phil Degginger/Earth Scenes Mechanical Exfoliation of granite AKA Unloading Cơ học (3) Abrasion – mài mòn – nghiền cơ học của các mảnh đá.  Hình ảnh bên do thấysự cọ sát của cát tạo sự xói mòn trên đá Và đây là do gió (4)Thermal Expansion and Contraction Source: Tom Bean Phong hóa hóa học Thủy phân: K Al Si3O8+2H++ 9H2O --->Al2Si2O5(OH)4+4H4SiO4+2K+ Ôxy hóa: F2+ --->Fe3+ Hydrate hóa: SiO2 + H2O - Si(OH)4 Carbonate: CaCO3 + H2CO3  Ca(HCO3)2 Hydrolysis – Feldspar to Clay Mechanical fracture due to chemical weathering Feldspars become Dissolution phong hoá và không phong hoá các tảng đá vôi Source: Ramesh Venkatakrishnan Angular Boulder Decomposes and Rounds Source: Paul McKelvey/Tony Stone Images HydrolysisCleopatra’s Needle, (Egypt) Source: New York Public Library, Locan History and Genealogy Division Granite in a Dry Climate Oxidation of Basalt Rust (Iron Oxide) forms Calcite (Limestone) No solids Ca ++ CO3-- Sản phẩm của phong hóa Thay đổi cấu trúc khóang ban đầu Tổng hợp lại các khoáng Khi phong hóa manh có thể tạo ra một số sản phẩm hòa tan ít như các oxyt sắt, nhôm Các quá trình chính: Phong hóa Cộng thêm CHC; Tạo lập cấu trúc mới Rỉ và acid hóa Eluviation desilication Podzolization Khử Mặn hóa và kiềm hóa Rửa trôi và lắng tụ Vai trò của sinh vật Quang hợp tạo chất hữu cơ cơ bản Chuyển hóa, chôn vùi tạo lại khoáng (fossil) Sinh học + cơ họcrễ cây + chất thừa của động vật và làm phơi đá với nước Source: Runk/Schoenberger/Grant Heilman Sự thêm vào và phân hủy các hợp chất hữu cơ dC/dt= A-rC A: thêm vào hàng năm C: lượng đang có VD: trong 23cm bề mặt, lượng carbon hữu cơ tìm thấy là 34t/ha. Hàng năm thêm vào 1,7tấn/ha. Tốc độ phân hủy là? Tốc độ phân hủy chất hữu cơ thường tính theo động học bậc 1 và t1/2=0.693/r Phân hủy chất hữu cơ 1. Humus được chia theo sự tan trong môi trường acid và bazơ Hầu hết humus có thể trích ly bằng bazơ Phần lắng trong dung dịch có pH=2 gọi là acid humic, phần còn lại trong dung dịch gọi là acid fuvic Chất hữu cơ Humus Phần nhẹ (biểu kiến) Acid fuvic Acid humic Humin Thành phần hóa học trung bình của: CHC (tt) Humic va fuvic là các nhóm acid carboxylic (-COOH) và phenolic (OH) Tóm tắt Các đặc tính chung của humus Sự hiện diện các nhóm acid (COOH) và (OH) làm cho đất tích điện thông thường 3mol ev/kg humus và là phụ thuộc pH Cây trồng cần dinh dưỡng trong lớp đất mặt: C/N:10-14; C/O: 100 và C/S:80-100 Khi tác dụng với sét và các oxyt Fe và Oxyt AL sẽ tạo phức và trở thành các đàon lạp ổn định tốt cho cây trồng Độ ổn định: Cu>Pb>Fè+>Ni>Mn>Co>Ca>>Zn>Mg (ở pH5) Vegetation and Soil Development 1. Plants use Hydrolysis to get nutrient metals 2. Humic acids and metals returned at death. Acids remove metals from E-layer Animal Activities in “A” horizon Source: Runk/Schoenberger/Grant Heilman Thứ tự hiện diện các nguyên tố trong vỏ trái đất Theo khối lượng Sự thành tạo hạt Chemical weathering by dissolution Limestone Weathering-resistant sandstone yields little soil Soil Soil Soil Feldspar-rich granite Iron-rich basalt Chemical weathering by oxidation Chemical weathering by hydrolysis Các tác nhânliên quan tới thành phần của đá gốc Eluviation & Illuviation Kết cấu - texture Physical Properties of Soil Soil Separates Gravel Very Coarse Sand Coarse Sand Sand Fine Sand Very Fine Sand Silt Clay 2.00 and larger 2.00 - 1.00 mm 1.00 - .50 mm .50 - .25 mm .25 - .10 mm .10 - .05 mm .05 - .002 mm - .002 mm Phương pháp xác định Ngòai hiện trường Trong phòng thí nghiệm Câu hỏi Khoáng nguyên sinh là gì? Khoáng thứ sinh là? Các tác nhân tạo lập đất? Đặc điểm các tác nhân? Phong hóa là? Các quá trình phong hóa? Hãy mô tả tóm tắt đặc tính lý hoá của silica? Sand, Silt, clay? Diện tích bề mặt gia tăng bao nhiêu lần khi đường kính hạt giảm xuống 1 nửa? 1:1 phyllosilicates: kaolinite One layer of Si tetrahedra One layer of Al octahedra Individual minerals are held to another via H bonds 2:1 Phyllosilicates: di and trioctahedral Dioctahedral (smectites) Substitution of +2 for +3 in octahedral layer (called isomorphous substitution) Creates a net negative charge (and property of cation exchange capacity) Results in expandable layers Trioctahedral (vermiculite) Substitution of +3 for +4 in tetrahedral layer Also has CEC, but little or no expansion Other secondary mineral groups: oxides Al oxides (gibbsite) Results of vigorous chemical weathering (desilication) Non-silicate secondary minerals: oxides Fe oxides Geothite Yellowish brown Acidic, OM-rich envir. 2. Hematite Bright red Warm, dry environments Non-silicate secondary minerals: carbonates Calcite Ca is released from some weathering source Forms in arid to semi-arid environments when soil solution becomes saturated Presence in upper 1m related to MAP Depth of carbonate layer related to MAP Non-silicates: sulfates (gypsum) Presence of sulfates in soils usually occurs in hyperarid climates (or sites with high water table and evaporative enrichment of salts)