Soil 2 - Soil Formation
Transcript of Soil 2 - Soil Formation
Thanh NK 1
Chương 1
Sự Hình Thành Đất
Nguy�n Kim Thanh
2011 2
Chu k ỳ ñá
• Igneous rock: low and quick cooling
• Wearhering and sedimentation
• Metamorphic rock
3
The rock cycle
http://www.cet.edu/ete/modules/msese/earthsysflr/rock.html 4
Thanh NK 2
5
http://soils.usda.gov/education/resources/surdown.pdf
Soil Development
6
Hình thành Hình thành -- Soil FormationSoil Formation
Learn NC. North Carolina Teachers Network. http://www.learnnc.org/LearnNC/lessonp.nsf/88547a4f82c4ca6585256b2300826c70/1b7d1f4fd25488bc85256a7a0047ad0b/$FILE/stages%20of%20soil%20formation.gif
7
SỰ HÌNH THÀNH ĐẤT (Soil Development)
• Phong hóa làm gãy vỡ bề mặt ñá bở quá trình cơ học hoặc hóa học
• Sự hình thành ñất bởi 5 yếu tố:– Climate: khí hậu– Topography: ñịa hình– Parent material: ñá gốc (rock from which the
soil is formed)– Time: thời gian– biological processes: các quá trình sinh học
8
Quá trình thành t ạo
Dòng Magma
AS mặt trời
Nước và năng lượng gió
Quá trình phân rã vật lý và hóa học
Vận chuyển và lắng
Chôn vùi và lithid hóa
Đá trầm tích
Đá núi lửa chôn vùi
Quá trình biến chất
Đá biến chất
Nhiệt bức xạ
Magma
Đá núi lửa trên bề mặt
Phơi và bào mòn
Thanh NK 3
9
• Climate : Lượng mưa càng cao, thì sự xói mòn càng lớn cũng như sự rửa trôi. Dạng ñất laterites hình thành tại vùng khí hậu ẩm nơi chỉ có Al2O3 (Bauxite) and Fe(OH)3 ở lại.
• Topography : ñộ dốc bề mặt càng lớn, thì lượng vật liệu bị xói mòn và chuyển ra khỏi nơi ñó càng cao.
• Parent Material : Granites thì trơ trong quá trình phong hoá hơn so với gabbros. Cát thì trơ hơn ñá vôi ở nơi khí hậu ẩm, tuy nhiên ñá vôi thì trơ hơn cát tại vùng khí hậu khô cằn (phong hóa).
• Plant and Animal activity : Các hoạt ñộng của thực vật và ñộng vật tạo ra các acid humic cũng là tác nhân gây phong hóa, ăn mòn. Cây trồng có xu hướng ổn ñịnh ñất. Còn con người và ñọng vật có xu hướng làm mất tính ổn ñịnh và cũng gây xói mòn.
• Time: tốc ñộ phản ứng càng chậm, thì ñá phơi bào vẫn tồn tại lâu, và càng khó bị phog hóa.
10
Tốc ñộ phong hóa là bao lâu?
Rates of Weathering of Clean Rock Surfaces
(micro-meters/1000years)
Rock Type
Cold Climate
Warm, Humid Climate
Basalt 10 100
Granite 1 10
Marble 20 200
11
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)
12
Tổng quát các trường hợp phong hóa
Rocks phân rã thành các khoáng (minerals)
Rất ch ậm Chậm nhanhweathered weathered weathered
minerals minerals minerals
(Quartz) (Feldspars) (Calcite)Muscovite
Disintegration Decomposition
Quartz silicate claysResistant Soluble
Decay Products (Ca++, K+, Fe+,
(Fe Al oxides) SO4)
Thanh NK 4
13
Khoáng nguyên sinh phong hóa thành khoáng th ứ sinh
phong hóa: sự chuyển ñổi hóa học của minerals (in soils, involves water, gases, acids, etc).
Parent material soil Desilication via weatheringParent Material=primary silicates formed from
igneous/metamorphic processes• Đất = khoáng thứ cấp silicates, oxides,
carbonates, v.v... formed from weathering processes
14
Profile ñấtO - Lớp mùnA - Thịt - sét B – phong hóaC – Đá gốc –
phong hóa
15
THÀNH PHẦN CỦA ĐẤTTHÀNH PHẦN CỦA ĐẤT
b. Khoáng thứ sinh1. Khoáng l ắng ñọng từ do
nước– Halite, gypsum, calcium
carbonate.
2. Khoáng ñã biến ñổi từ khoáng nguyên sinh.
K FeldsparKaolin
Gypsumprecipitation
16
ĐÁ VÀ KHOÁNG TẠO ĐấT
1. 3 quá trình tạo chất trong chu kỳ ñá- Đá núi lửa,- Đá phong hóa và trầm tích- Đá biến chất2. Magma- Quá trình nguội dần và dạng khóang
nguội chậm, nguội nhanh- 5 lọai: từ siêu acid SiO2>75% ñến siêu bazơ:
SiO2<45%
Thanh NK 5
17
KhoángNguyên sinh:-Quartz
-Muscovite-Feldspare…
SiO2
KAl2(AlSi3O10)(F, OH)2
[Al,Si,O,Na,K]
Thứ sinh:-Sét: kaolinite
-Allophane-Gibbsite….
Al2O3.2 SiO2.2 H2O or Al2Si2O5(OH)4
Si3Al4O12.nH2O
Al(OH)3
…
18
Cấu tạo bởi các:- Các oxit: quartz (SiO2), haematite (Fe2O3),
Rutin (TiO2), alumina (AL2O3)…- Các silicate:
– Nesosilicates (single tetrahedrons)– Sorosilicates (double tetrahedrons)– Inosilicates (single and double chains)– Cyclosilicates (rings)– Phyllosilicates (sheets)– Tectosilicates (frameworks)
- Aluminosilicates: là vật liệu khoáng nhiều thứ 2 (sau silicates): AL2O3Zn SiO2H2O
Khoáng nguyên sinh
19
Nhóm Mica
• Biotite (Potassium Iron Magnesium Aluminum Silicate Hydroxide Fluoride)
• Lepidolite (Potassium Lithium Aluminum Silicate Hydroxide Fluoride)
• Muscovite (Potassium Aluminum Silicate Hydroxide Fluoride)
• Phlogopite (Potassium Magnesium Aluminum Silicate Hydroxide Fluoride)
• Zinnwaldite (Potassium Lithium Aluminum Silicate Hydroxide Fluoride)
20
Single tetrahedral1. Cordierite: Mg2Al4Si5O18, Magnesium Aluminum Silicate
2. Biotite: K (FE, Mg)3 AlSi3 O10 (F, OH)2, potassium iron magnesium aluminum silicate hydroxide fluoride.
3. Feldspars: - Albite : NaAlSi3 O8, Sodium aluminum silicate;
- Oligoclase: Na(90-70%) Ca(10-30%) (Al, Si)AlSi2 O8, Sodium calcium aluminum silicate
- Andesine: Na(70-50%) Ca(30-50%) (Al, Si)AlSi2 O8, Sodium calcium aluminum silicate
Thanh NK 6
21
Single tetrahedral – Feldspars (2)
- Labradorite: Ca(50-70%) Na(50-30%) (Al, Si)AlSi2 O8, Calcium sodium aluminum silicate
- Bytownite: Ca(70-90%) Na(30-10%) (Al, Si)AlSi2 O8, Calcium sodium aluminum silicate
Alkali feldspars
- Microcline: KAlSi3O8 , Potassium Aluminum silicate
- Sanidine: KAlSi3O8, Potasium Aluminum Silicate
- Orthoclase: KAlSi3O8, Potasium Aluminum Silicate
22
BYTOWNITEBYTOWNITEALBITEALBITE
OLIGOCLASEOLIGOCLASE
ORTHOCLASEORTHOCLASEMICROLINEMICROLINE
23
LABRADORITE ANDALUSITE
OLIVINE
GADOLINITE-(Y)
24
MUSCOVITE
Thanh NK 7
25
không thuỘc feldspars
• Datolite: CaBSiO4(OH), Calcium Boron Silicate Hydroxide.
• Euclase: BeAlSiO4OH, Beryllium Aluminum Silicate Hydroxide.
• Olivine: (Mg, Fe)2SiO4, Magnesium Iron Silicate
• GADOLINITE-(Y): Y2FeBe2Si2O10, Yttrium Iron Beryllium Silicate;
26
The Garnet Group :
• Almandine (Iron Aluminum Silicate)• Andradite (Calcium Iron Silicate)• Grossular (Calcium Aluminum Silicate)• Pyrope (Magnesium Aluminum Silicate)• Spessartine (Manganese Aluminum Silicate)• Uvarovite (Calcium Chromium Silicate)
27
DATOLITE
EUCLASE
28
OCTAHEDRAL FLOURITE The color is deep and on one side you can see clear violet to green zoning.
Thanh NK 8
29
• Bertrandite : (Beryllium Silicate Hydroxide)• Leucite: KAlSi 2O6, Potassium Aluminum Silicate • Danburite: CaB 2Si2O8 , Calcium boron silicate
• Nhóm Epidote group- Allanite (Yttrium Cerium Calcium Aluminum Iron Silicate Hydroxide)- Clinozoisite (Calcium Aluminum Silicate Hydroxide)- Epidote (Calcium Iron Aluminum Silicate Hydroxide)- Zoisite (Calcium Aluminum Silicate Hydroxide)
• Hemimorphite: Zn 4Si2O7(OH)2 -H2O, Hydrated Zinc Silicate Hydroxide
• Ilvaite: CaFe 3OSi2O7(OH), Calcium Iron Silicate Hydroxide.
• Vesuvianite/Idocrase: Ca 10(Mg, Fe)2Al4(SiO4)5(Si2O7)2(OH)4, Calcium Magnesium Iron Aluminum Silicate Hydroxide.
30
Người ta lại chia nhỏ: VD Phyllosilicate Subclass (sheets)
VD: Apophyllite. (K,Na)Ca4Si8O20(F,OH) -8H2O, Hydrated Potassium Calcium Sodium Silicate Fluoride
• Cavansite (Hydrated Calcium Vanadium Silicate)
• Chrysocolla (Hydrated Copper Aluminum Hydrogen Silicate Hydroxide)
31
aluminosilicatesVD nhóm Feldspare
-Sanidine:
[(K,Na)AlSi3O8]4
- Orthoclase: [(K, Na)AlSi3O8]4
-Albite: [NaAlSi3O8]4
- Anorthite: Ca[Al2Si2O8]
32
Tham kh ảo về khoáng
• http://webmineral.com/data/Plagioclase.shtml
• http://webmineral.com/data/Plagioclase.shtml
Thanh NK 9
33
Quá trình phong hóa VD như Thủy phânK Al Si3O8+2H++ 9H2O--->Al2Si2O5(OH)4+4H4SiO4+2K+
kaolinite- Tỷ lệ SiO2/Al2O3=2 ->5
Khóang th ứ sinh
34
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: AlSi 2O5OH, Aluminum Silicate Hydroxide
• Talc (Magnesium Silicate Hydroxide)
35
Kaolinite
Refractories• Kaolinite: Al2O3.2 SiO2.2 H2O or Al2Si2O5(OH)4• Water of Hydration• Calcination• Mullite: Al6Si2O13
36
Thanh NK 10
37
KAOLINITE PYROPHYLLITEPYROPHYLLITE
38
39
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
40
Tính chất của các sét trên
• Sư thay thế Si4+, bởi Al3+ hoặc Fe3+
• Thay thế Al, Fe bởi Mg2+ hoặc Mn2+,• Cân bằng ñiện tích
Thanh NK 11
41
VD khoáng zeolite AH12[(AlO2)12(SiO2)12].27H2O
• Hãy tính lượng khoáng zeolite A cần thiết ñể làm mềm 1 m3 nước với ñộ cứng là 123ppm theo CaCO3, với hiệu xuất thay thế cation là 80%.
(Al: 27;Si:28; Ca:40)
42
43
C�u ph�n chính c �a ñ�t (Components)
44
3 quá trình bi ến ñổi• Phong hóa: – sự phân rã và phân hủy lớp ñất bề mặt
trái ñất. Quá trình này chỉ diễn ra tại chỗ và ko có sự vận chuyển. Phân biệt với sự xói mòn.
• Phong hoá c ơ/lý học: - sựphân rã lý học của ñá thành những phần nhỏ hơn, mà các phần này có ñặc tính giống như ban ñầu. Xảy ra chủ yếu bởi thay ñổi nhiệt ñộ và áp suất.
• Phong hóa hoá h ọc: – là quá trình xảy ra bên trong cấu trúc khí thêm hoặc bớt các nguyên tố. Thay ñổi 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 ñộng học phản ứng như nhiệt ñộ và dung dịch hoạt hóa. Như vậy hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn.
Thanh NK 12
Source: Tom Bean/DRK Photo45 46
Phong hóa cơ học
• Frost Wedging – sự giản nở của nước khi tạo băng. Quá trình tương tự khi ñá từ khô sang ướt, ở ñó các tinh thể muối hoà tan từ ñá mọc lên khi ñất khô.
47
Frost Wedging
48
Bằng chứng Frost Wedging ở Wheeler Park, Nevada, Mỹ
Source: Tom Bean/DRK Photo
Thanh NK 13
49
Rockfall caused by frost wedging
50
Salt Wedging
51
Cơ học (2)• Mechanical
Exfoliation – tróc mảng cơ học - ñá bị vỡ ra theo các lớp nằm song song với mặt ñất; khi ñá không bị che phủ nó sẽ giản ra (do áp suất bên dưới thấp) tạo ra dạng sự tróc từng mảng (exfoliation)
52
Exfoliation of a Pluton
AKA “Unloading “AKA “Unloading “
Thanh NK 14
53
Exfoliation in Yosemite National Park
Source: Phil Degginger/Earth Scenes 54
Mechanical Exfoliationof granite
AKA Unloading
55
Cơ học (3)
• Abrasion – mài mòn – nghiền cơ học của các mảnh ñá. Hình ảnh bên do thấysự cọ sát của cát tạo sự xói mòn trên ñá
Và ñây là do gió
56
(4)Thermal Expansion and Contraction
Source: Tom Bean
Thanh NK 15
57
Phong hóa hóa h ọc
• 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
58
Hydrolysis – Feldspar to Clay
Mechanical fracture due to chemical weathering
Feldspars become
59
Dissolutionphong hoá và không phong hoá các tảng ñá vôi
Source: Ramesh Venkatakrishnan60
Angular Boulder Decomposes and Rounds
Source: Paul McKelvey/Tony Stone Images
Thanh NK 16
61
HydrolysisCleopatra’s Needle, (Egypt)
Source: New York Public Library, Locan History and Genealogy Division
Granite in aDry Climate
62
Oxidation of Basalt
Rust (Iron Oxide) forms
63Calcite (Limestone) No solids Ca ++ CO3
--
64
Sản phẩm của phong hóa• Thay ñổi cấu trúc khóang ban ñầu• 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:1. Phong hóa2. Cộng thêm CHC;3. Tạo lập cấu trúc mới4. Rỉ và acid hóa5. Eluviation6. desilication7. Podzolization8. Khử9. Mặn hóa và kiềm hóa10. Rửa trôi và lắng tụ
Thanh NK 17
65
Vai trò của sinh vật
• Quang hợp tạo chất hữu cơ cơ bản• Chuyển hóa, chôn vùi tạo lại khoáng
(fossil)
66
Sinh học + cơ họcrễ cây + chất thừa của ñộng vật và làm phơi ñá với nước
Source: Runk/Schoenberger/Grant Heilman
67
Sự thêm vào và phân h ủy các h ợp chất hữu cơ
• dC/dt= A-rCA: thêm vào hàng nămC: lượng ñang có
VD: trong 23cm bề mặt, lượng carbon hữu cơ tìm thấy là 34t/ha. Hàng năm thêm vào 1,7tấn/ha. Tốc ñộ phân hủy là?
Tốc ñộ phân hủy chất hữu cơ thường tính theo ñộng học bậc 1 và t1/2=0.693/r
68
Phân hủy chất hữu cơ
1. Humus ñược 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
Thanh NK 18
69
Thành phần hóa học trung bình của:
Thành phần Humic Fuvic
1 C (%) 56 46
2 O (%) 36 45
3 H (%) 4.7 5.4
4 N (%) 3.2 2.1
5 S (%) 0.8 1.9
6 COOH (mmol/g) 3.6 8.2
7 Phenolic OH (mmol/g) 3.9 3.0
70
CHC (tt)• Humic va fuvic là các nhóm acid carboxylic (-
COOH) và phenolic (OH)Tóm tắt Các ñặc tính chung của humus1. Sự hiện diện các nhóm acid (COOH) và (OH) làm
cho ñất tích ñiện thông thường 3mol ev/kg humus và là phụ thuộc pH
2. Cây trồng cần dinh dưỡng trong lớp ñất mặt: C/N:10-14; C/O: 100 và C/S:80-100
3. Khi tác dụng với sét và các oxyt Fe và Oxyt AL sẽ tạo phức và trở thành các ñàon lạp ổn ñịnh tốt cho cây trồng
Độ ổn ñịnh: Cu>Pb>Fè+>Ni>Mn>Co>Ca>>Zn>Mg (ở pH5)
71
Vegetation and Soil Development1. Plants use Hydrolysis
to get nutrient metals
2. Humic acids and metals returned at
death. Acids remove metals from
E-layer
72
Animal Activities in “A” horizon
Source: Runk/Schoenberger/Grant Heilman
Thanh NK 19
73
Thứ tự hiện diện các nguyên tố trong vỏ trái ñất
• Theo khối lượng
46.6
27.7
8.1 5 3.6 2.8 2.6 2.1 1.4
0
10
20
30
40
50
O Si Al Fe Ca Na K Mg conlai
74
Sự thành tạo hạt
75
Chemical weatheringby dissolution Limestone
Weathering-resistant sandstone yields little soil
SoilSoil Soil
Feldspar-richgranite
Iron-richbasalt Chemical
weatheringby oxidation
Chemicalweatheringby hydrolysis
Các tác nhân liên quan t ới thành ph ần của ñá gốc
76
Eluviation & Illuviation
Thanh NK 20
77
Soil profileSoil profile
78
Phương pháp xác ñịnh
• Ngòai hiện trường• Trong phòng thí nghiệm
79
Câu hỏi
• Khoáng nguyên sinh là gì?• Khoáng thứ sinh là?• Các tác nhân tạo lập ñất? Đặc ñiểm các tác
nhân?• Phong hóa là? Các quá trình phong hóa?• Hãy mô tả tóm tắt ñặc tính lý hoá của silica?• Sand, Silt, clay?
80
Diện tích bề
mặt gia
tăng bao
nhiêu lần khi
ñường kính
hạt giảm
xuống 1
nửa?
Thanh NK 21
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)
83
Other secondary mineral groups: oxides
• Al oxides (gibbsite)
• Results of vigorous chemical weathering (desilication)
84
Non-silicate secondary minerals: oxides
• Fe oxides
1. Geothite• Yellowish brown• Acidic, OM-rich envir.
• 2. Hematite• Bright red• Warm, dry environments
Thanh NK 22
85
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
86
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)