Ugrás a tartalomhoz

Talajtan

Stefanovits Pál, Filep György, Füleky György

Mezőgazda Kiadó

Kémiai mállás

Kémiai mállás

A kémiai mállás hatására már nemcsak az anyag szemcsézettsége változik meg, mint az aprózódás folyamán, hanem kémiai és ásványtani felépítése is. A kémiai mállás indítóoka az, hogy a mélységben keletkezett kőzetek a felszínre kerülve más körülmények közé jutnak, mint amilyenek közt létrejöttek. A nyomás, a hőmérséklet és a kémiai környezet változásának hatására a mélyben fennálló egyensúlyok – amelyek az ásványok minőségét megszabták – itt már másként alakulnak, eltolódnak, és ezt igyekeznek az ásványok is követni, miközben nagyobb energiájú, más összetételű ásványokká alakulnak. A kémiai mállást jellemzi, hogy termékeiben több az energia, összetételükben pedig több a víz, valamint az OH-gyök.

Ha a kémiai mállás folyamatait rendszerbe akarjuk foglalni, akkor a következő folyamatokat különböztethetjük meg:

a) oldási folyamatok,

b) szilikátok hidrolízise,

c) savas oldatok hatása,

d) oxidáció.

Oldási folyamatok

Hatásukra a vízben könnyen oldódó anyagok kimosódnak a kőzetekből. Elsősorban az alkáli fémek, valamint az alkáli földfémek sói oldódnak ki a kőzetből, éspedig az oldhatóságuknak megfelelő sorrendben és arányban. A különböző sókból 1 liter 20 °C-os vízben oldható mennyiségek:

MgCl2 · 6H2O

560 g,

NaCl

360 g,

CaSO4 · 2H2O

2,6 g,

CaMg(CO3)2

0,3 g,

CaCO3

0,1 g.

Jelentősen megváltozik a karbonátok vízben való oldhatósága, ha a víz CO2-ot tartalmaz, mert hidrogén-karbonát-képződés következtében nő az oldhatóság. Erre vonatkozóan a 4.3. táblázatban ismertetünk adatokat.

4.3. táblázat - A víz szénsavasmész-oldó képessége a vele egyensúlyban levő levegő CO2-tartalmától függően

CO2 tf-%-ban

0,03

0,33

1,6

4,3

10

100

mg CaCO3/liter víz

52

117

201

287

390

900

az oldat pH-ja

8,3

7,6

7,1

6,9

6,7

6,0


Az oldási folyamatok hatására alakulnak ki mészkőterületeken a karsztjelenségek, képződnek barlangok, majd ezek beszakadásával töbrök és dolinák. De igen fontos az oldódás a lösz vagy a laza üledékes kőzetek esetében, mert a talajképződés más módon alakul, ha a szénsavas meszet a víz már előzőleg kioldotta.

A szilikátok hidrolízise

A víz nemcsak mint oldószer, mint közeg hat, hanem hatást fejtenek ki a víz ionjai, a H+ és az OH–-ionok is. Különösen fontos a kémiai mállásnak az a folyamata, amely a szilikátokat érinti.

A vízben jól oldódó sók hidrolízise gyorsan végbemegy, a vízben csak kevéssé oldható szilikátok mállása viszont a felületen indul meg, és csak lassan halad az ásvány közepe felé.

A szilikátok mállásának szemléltetésére az ortoklász elbomlását írjuk le, aminek egyik lehetősége az alábbi kémiai egyenlettel vázolható:

KAlSi 3 O 8 +HOH ortoklász HAlSi 3 +KOH alumokovasav . MathType@MTEF@5@5@+=feaagCart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLkVcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqaceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaabaaaaaaaaapeWaaKbaaeaacaqGlbGaaeyqaiaabYgacaqGtbGaaeyAamaaBaaaleaacaqGZaaabeaakiaab+eadaWgaaWcbaGaaeioaaqabaGccaqGRaGaaeisaiaab+eacaqGibaajuaGbaGaae4BaiaabkhacaqG0bGaae4BaiaabUgacaqGSbGaaey4aiaabohacaqG6baakiaawYa7aiaabsbidaqgaaqaaiaabIeacaqGbbGaaeiBaiaabofacaqGPbWaaSbaaSqaaiaabodaaeqaaOGaae4kaiaabUeacaqGpbGaaeisaaqcfayaaiaabggacaqGSbGaaeyDaiaab2gacaqGVbGaae4Aaiaab+gacaqG2bGaaeyyaiaabohacaqGHbGaaeODaiaab6caaOGaayjdSdaaaa@5E61@

Vagyis a víz H+-ionja belép a szilikátba, kiszorítva a K+-iont, ami kálilúgot képez, és így a pH lúgos lesz (9–10).

A szilikátrács, melyben a kálium helyén H+ van, már nem elég szilárd, és a további hidrolitikus folyamatok hatására elbomlik. Ez a bomlás a körülményektől függően két irányban játszódhat le. Az egyik reakció folyamán kovasav és alumínium-hidroxid keletkezik, a másikban az agyagásványok képződésére lehetőséget adó átmeneti bomlástermék (allofán) jön létre, kovasav kíséretében:

HAlSi3O8 + 4HOH—Al(OH)3 + 3H2SiO3,

2HAlSi3O8 + 5HOH—Al2Si2O5(OH)4 + 4H2SiO3.

A reakciótermékek közt szereplő káliumionok kapcsolódhatnak az agyagásvány-előtermékkel is, és ilyenkor illit típusú rács alakul ki. De ha a kálium kioldódik a reakciótermékek közül, akkor a kaolinit képződése lép előtérbe.

Az ortoklász felületén tehát egy néhány molekula vastagságú agyagásványhártya képződik, amelynek rácsszerkezete és ennek következtében típusa attól függ, hogy milyen erős a kimosódás és milyen ionok találhatók az oldatban. Ez a hártya jelentősen fékezi a további mállást, mert meggátolja a bomlástermékek gyors kimosódását, és a földpátásvány közepe hosszú ideig változatlan marad.

Ezzel szemben gyorsíthatják a mállást olyan szerves anyagok, melyek a nehezen oldható mállástermékkel, mint a vassal és az alumíniummal komplex vegyületeket képeznek, és így a kioldásukhoz hozzájárulhatnak. Az elmondottak nemcsak az ortoklászra érvényesek, hanem a többi nem rétegrácsos szilikátra is. Jelentős hatással van a mállás irányára és a keletkezett mállástermékre a közegben található ionok töménysége, aránya, valamint a savanyúság. Az erős kilúgozás és a savanyú közeg a kaolincsoport (nemzetközi megjelölés szerint kanditok) képződésének kedvez, gyengén lúgos, sok magnéziumot tartalmazó közegben pedig a montmorillonit-csoport (nemzetközi megjelölés szerint szmektitek) ásványai keletkeznek. Mérsékelt savanyúság és kilúgozás, valamint kálium jelenléte az illitek kialakulását segíti elő.

Trópusi területen, ahol sok a csapadék és savas a közeg, a sok gyorsan bomló szerves anyag hatására több a kaolinit és a vas-, alumínium-oxidhidrát, a kevésbé csapadékos mérsékelt égövben az alkalikus közegben végbement mállás termékei közt viszont több az illit és a montmorillonit. Némileg eltér a fenti sémától a csillámok mállása. Ezek rácsszerkezete ugyanolyan rétegrácskötegekből áll, mint az illité, a montmorillonité vagy a vermikulité és a klorité. Ha tehát a hidrolízis folyamán a rácsokat összetartó kálium kioldódik, víz és hidratált kationok léphetnek a rácskötegek közé. Ezért a csillámok átalakulása folyamán az elsődleges ásványok rácsának elemei átöröklődhetnek az agyagásványok képződésekor, sőt legtöbb esetben a közbenső átmeneti termékek is megtalálhatók a kőzet málladékában vagy a talajban. Ez a folyamat, amely lényegében a káliumtartalom csökkenésével kísérhető nyomon, a 4.4. táblázatban feltüntetett módon játszódik le.

4.4. táblázat - A mállás folyamán bekövetkező ásványátalakulások

Savas oldatok. A szilikátok mállását ugyanúgy gyorsítják, mint a karbonátok oldódását. A kőzetekben vagy a talajban levő nedvesség jelentős mennyiségű szénsavat képes oldott állapotban tartani. Ez, valamint a belőle képződött CO2 semlegesíti a hidrolíziskor keletkezett lúgos vegyületeket, és hidrogén-karbonátok képződésével segíti elő a mállás termékeinek elszállítását.

Az oldatok savassága azonban nemcsak a CO2 mennyiségétől függ. Növelhetik a savasságot a savanyú szerves anyagok oldódása csakúgy, mint a protolitikus folyamatokban szabaddá vált hidróniumionok (H3O+). A savas oldatok tehát jelentős mértékben gyorsítják a kőzet, valamint a talaj kémiai mállását.

A savanyúság. Az élőlények tevékenysége következtében is létrejöhet. Mind az alacsonyabb rendű, mind a magasabb rendű növények – hogy tápláló elemeket vehessenek fel a talajból – savas anyagokat választanak ki.

Ugyancsak savas anyagokat termelnek a növények a gyökérlégzés folyamatában. A növények életműködésének folyamán keletkeznek komplexképző anyagok, melyek közül a citromsavat, a tejsavat, a borkősavat, az egyes aminosavakat és a kis molekulájú humuszsavakat kell kiemelnünk, amelyek feloldják a málláskor képződött alumínium- és vasoxidokat, és lehetővé teszik elvándorlásukat a mállás helyéről, ezáltal gyorsítják a mállás ütemét.

Az oxidáció

Igen gyakran kísérője vagy lényeges eleme a kémiai mállásnak.

Alapjául az alacsony vegyértékű elemek szolgálnak, amelyek vegyületeikben az oxigénnel érintkezve magasabb vegyértékű formába mennek át.

A leggyakoribb, hogy a kétértékű vas oxidálódik háromértékűvé: a szilikátokban foglalt ferro-vas oxidálódik és oldhatatlan oxid vagy hidroxid alakjában kiválik. A kicsapódás által a folyamat egyensúlya a szilikát bomlása irányába tolódik el, vagyis az oxidáció minden olyan szilikát mállását gyorsítja, mely kétértékű vasat vagy mangánt tartalmaz.

A másik mállást gyorsító jelenség arra vezethető vissza, hogy az oxidáció jelentős térfogatnövekedéssel jár, amitől az ásványok vagy a kőzetek felülete fellazul. A fellazult felületen azután újabb ásványi anyag válik hozzáférhetővé a levegő, valamint a nedvességben oldott oxigén számára.

Azokban a kőzetekben, amelyekben vas-szulfid található (FeS2, pirit), nemcsak a vas oxidálódik, hanem az ehhez csatlakozó anion is, miközben kénsav képződik. Ez részben fokozza a savasságot, részben szulfátok képződését idézi elő. Mindkét hatása a kémiai mállás gyorsulását váltja ki.

Ha – a kémiai mállás ismeretében – azt vizsgáljuk, hogy ezek a folyamatok hogyan hatnak az ásványokra, milyen ütemben idézik elő azok mállását, azt állapíthatjuk meg, hogy az ásványok között jelentős különbség van a mállással szemben mutatott ellenállás tekintetében.

Az ásványok mállással szemben mutatott ellenállását, vagyis stabilitását a 4.5. táblázatban foglaltuk össze.

4.5. táblázat - Az ásványok mállásal szemben mutatott ellenállása

Ásvány

Állandóság

Gipsz, mészkő, dolomit

igen gyenge

Olivin, anortit, apatit

gyenge

Augit, amfibol, plagioklászok, biotit

közepes

Muszkovit, ortoklász

erős

Kvarc, magnetit, titanit, cirkon, illit, montmorillonit, kaolinit, klorit

igen erős


A mállottság mértékének meghatározására a talaj vagy a kőzet egyes rétegeinek összehasonlításával nyerünk támpontot. A könnyen málló ásványok mennyiségét ugyanazon réteg valamely nehezebben málló ásványának mennyiségéhez viszonyítjuk, például a cirkonéhoz vagy a titánásványokéhoz. Minél kevesebb a könnyen málló ásvány az egységnyi nehezen málló ásványra vetítve, annál erősebb volt a mállás.

A kémiai és a fizikai mállás hatása a talajképződésre

A mállás jellege. Harrasovitz szerint a mállás jellegét a talajok teljes feltárásával nyert kovasav-, vas- és alumíniumtartalomból számíthatjuk ki a molekuláris viszonyszámok segítségével, vagyis a kovasav százalékos értékét 60-nal, az alumíniumét 100-zal és a vasét 160-nal osztva a kapott hányadosokat viszonyítjuk egymáshoz. Ezek alapján a mállás jellege:

siallitos,

ha SiO2 : Al2O3

>

2:1,

allitos,

ha SiO2 : Al2O3

 

2:1–1:1 és Al2O3 > Fe2O3,

ferralitos,

ha SiO2 : Al2O3

 

2:1–1:1 és Al2O3 = Fe2O3,

alferrites,

ha SiO2 : Al2O3

 

2:1–1:1 és Al2O3 < Fe2O3.

A fizikai mállás folyamán megváltoznak a kőzet eredeti fizikai tulajdonságai, aprózódik, szemcsékre esik szét. A kémiai mállás folyamán új ásványok képződnek; egy részük mérete 0,002 mm-nél kisebb. Az elsődleges ásványok egy része elbomlik, miközben másodlagos ásványok képződnek és a talajképződés tekintetében fontos elemek szabadulnak fel.

A mállás folyamán csökken a kőzet alkálifém- és földalkálifém-tartalma. A kőzetalkotó anyag felülete megnő, több vizet és oxigént tartalmaz, és nagyobb energiát zár magába. Mindez pedig az agyagásványok képződésének következménye. A nagyobb felület, a megváltozott ásványi összetétel alkalmassá teszi a kőzetből keletkezett mállásterméket, hogy a növényeknek több vizet és tápanyagot szolgáltasson.

Meg kell azonban jegyezni, hogy a mállás nem azonos a talajképződéssel. Általában megelőzi a talajok kialakulását, de a talajképződés kezdetével nem szűnik meg, hanem a talajban folytatódik, sőt intenzitása sok esetben még fokozódik is a talajban lejátszódó folyamatok hatására.

A talajban lejátszódó mállás nemcsak az elsődleges ásványokat érintheti, hanem kiterjedhet a másodlagos ásványokra is, ezen belül az agyagásványokra. A talajtípusok tárgyalásánál kitérünk az anyagásványok változására, úgymint az illitesedésre, az amorfizációra, a kloritosodásra. A zeolitok szelvényen belüli eloszlásából következtehetünk a klinoptilolit elmállására, mivel a mordenit aránya válik a talajszelvény felső rétegeiben uralkodóvá.

Ezek a folyamatok a mállás és a talajképződés együttes hatását jelentik, amiből következik, hogy a biológiai mállás mindenképpen szerephez jut bennük.

A biológiai mállás

A talajok ásványi összetétele nem marad változatlan sem a talajban élő mikroszervezetek, sem a talajon élő növényzet, valamint a talajlakó állatok tevékenységének hatására. A talajban élő baktériumok és gombák az életfolyamataikhoz szükséges energiát és a testük felépítéséhez szükséges elemeket sok esetben a talaj ásványi részéből nyerik. Élettevékenységükkel megváltoztatják életterük, a talaj kémhatását, valamint redoxi viszonyait, ezek pedig a mállásnak fontos tényezői és irányítói. Elég, ha a vasbaktériumok, vagy a kénbaktériumok tevékenységére utalunk, amelyek lényegesen megváltoztathatják a mállás jellegét és intenzitását.

Mindenki számára ismert, hogy a szabad mészkőfelületeken megtelepedett moszatok oldják a mészkövet, így a száraz időben fehérnek látszó mészkőfelület benedvesedve zöldesfehér színt ölt, és a simára csiszolt mészkőfelület érdessé válik. Ugyanígy ismert a felszínen lévő tömör kőzeten megtelepedett szürke- vagy sárgazuzmó-telepek hatása, vagy az ezeket kísérő mohák mállasztó tevékenysége.

A magasabb rendű zöld növények gyökerei által kiválasztott szén-dioxid, valamint a szerves savak oldó és mállasztó hatására mind több vizsgálati adat áll rendelkezésünkre. De a növényzet nemcsak ezáltal befolyásolja a mállást, hanem válogatóképessége által is. A növények számára szükséges elemek felvételével eltolódik a mállás kémiai folyamatainak egyensúlya, és fokozódik a mállás. Tenyészedény-kísérletekben a homokban nevelt árpa a kizárólagos káliumforrásként bekevert csillámból felvette a káliumot és azt illitté, majd szmektitté alakította át.

Képzelhető, hogy az egy tenyészidő alatt bekövetkezett változás hatása hogyan halmozódik évszázadok, sőt évezredek alatt. De a növényzet nemcsak felvesz a talajból elemeket, hanem vissza is juttat. Az élő növény is kiválaszt elemeket, amelyek a csapadékkal a talajba jutnak. Így állhat elő az a helyzet, hogy a növények által felvett kalcium és magnézium a talaj felszíni rétegeit gazdagítja, míg a növény gyökérzete a mélyebb rétegekből azonos elemeket vesz fel, elszegényítve azokat. Ezáltal a felszínen agyagásványok szintézise, szmektitképződés, míg a mélyebb szintekben agyagásvány-destrukció játszódik le.

A talaj ásványi tartalmát módosíthatja a növényi szövetekben a szilárdítást vagy más célokat szolgáló ásványképződmények talajba jutása is. Ezek a fitolitáriáknak nevezett képződmények, például a zsurlók szilárdítószöveteiben lerakódott kvarckristályok vagy a sóskában, a csalánban keletkezett kalcium-oxalát-kristályok a növény elhalása, majd a szerves anyag ásványosodása után a talajba kerülnek.

Nem kevésbé fontos a talajlakó állatok mállást befolyásoló tevékenysége sem. A földigiliszta a mészmirigyei által az ürülékével megváltoztatja a talaj mészállapotát és így az ásványok mállásának irányát. Önmagában az a tény, hogy a talajlakó állatok keverik a talaj különböző szintjeinek anyagát, azt váltja ki, hogy különböző tulajdonságú talajanyagok kerülnek egymással érintkezésbe. Így olyan folyamatok indulhatnak meg, amelyek gyűjtőneve a kontakt hatás. Ezáltal kerülhet egymás mellé savanyú, illetve karbonátos talajanyag, vagy oxidatív, illetve reduktív talajgóc, továbbá vasas, valamint kevés vasat tartalmazó talajrög. Az állatvilág keverő tevékenysége, ugyanúgy, mint a mélyre hatoló növényi gyökerek, szerves anyagot visznek a mélyebb talajrétegekbe, ezáltal fokozzák a mállást.

A biológiai mállás tehát abban különbözik a fizikai és a kémiai mállástól, hogy az egyes elemek felszabadulását, kioldódását, vagy visszamaradását, illetve kicsapódását a növények és általában a talajon és a talajban élő lények igényei szabják meg. Vagyis még az elemek ún. nagy vagy geológiai körforgásában elsősorban az oldhatósági viszonyok szabják meg azt, hogy valamely anyag visszamarad-e a mállás helyén vagy kimosódik, addig a kis vagy biológiai körforgásban az játssza a főszerepet, hogy egy elem a növényi élet számára szükséges-e vagy sem. A biológiai mállás tehát igen lényeges eleme nem csak a kőzetek átalakulásának, hanem a talaj fejlődésének is.

Az aprózódás és a mállás hatására átalakult kőzet (most már a talajképző kőzet) valamint az abból kialakult talaj tehát az elsődleges ásványok maradékaiból valamint a másodlagos ásványokból álló keverék. Ebben a keverékben az egyes ásványszemcsék mérete igen sokféle lehet, aszerint, hogy az ásvány minősége, valamint kialakulása és aprózódása hogyan alakult.

A különböző méretű szemcsék arányának kifejezésére szolgál a szemcseösszetétel meghatározása és ennek alapján a fizikai talajféleség megnevezése.