Centre of Excellence Chemie životního prostředí III Pedosféra (03) Půdotvorné procesy - zvětrávání Ivan Holoubek, Josef Zeman RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox. recetox.muni.cz; http://recetox.muni muni.cz
Substrát (matečná hornina) Půdotvorné faktory výchozí materiál pro vznik půdy, předmět přeměn probíhajících v půdě; petrologické složení substrátu ovlivňuje rychlost tvorby půdy (zvětrávání pevných hornin) a s tím související hloubku půdy a její zrnitostní složení, na kterém závisí fyzikální, fyzikálně-chemické, biologické i další půdní vlastnosti; chemismus při vývoji půd obsah bází (Ca, Mg) na jejich množství závisí rychlost vyluhování půdy; minerální síla substrátu Ca, Mg, P, K; uhličitany Na, K, lehce rozpustné soli sírany a chloridy zasolení půd; 2
Půdotvorné procesy Zvětrávání předchází vlastnímu vzniku půd a probíhá i během jejího vývoje fyzikální a chemické změny probíhající při rozpadu horniny podstatou je mechanický rozpad a chemická přeměna prvotních (primárních) minerálů v druhotné (sekundární), uvolňování bází, oxidů Fe a Al, kyseliny křemičité, tvorba jílu aj. je silně ovlivněno klimatem a biologickým faktorem; 3
Zvětr trávání Zvětrávání chemická a fyzikální degradace hornin na relativně jemné částice (půdy a sedimenty) a rozpuštěné látky, klíčový prvek exogenního geochemického cyklu salinita oceánů výživa pro biotu rudy transformace povrchu spotřeba H + spotřeba CO 2 4
Zvětr trávání 5
Faktory ovlivňuj ující zvětr trávání Typ a struktura horniny Sklon svahů Klima Hrabavá zvířata, hmyz, červi Charles Darwin červi 2,5 kg.m -2 Čas 6
Faktory ovlivňuj ující zvětr trávání 7
Mechanické zvětr trávání Mrazové štípání Růst krystalů Působení tepla Kořeny rostlin Zvětrávání bazaltové lávy na Hawaii Pulpit, Lysefjord, severní Norsko Mount Whitney, Sierra Nevada 8
Mechanické zvětr trávání Yellowstone National Park Ta Prohm u Angkoru, Kambodža 9
Rychlost fyzikáln lního zvětr trávání 10
Rychlost chemického ho zvětr trávání 11
Chemické zvětr trávání Voda, kyslík, oxid uhličitý Hydrolýza Hydratace Oxidace Vyluhování Oxidovaná půda na Hawaii 12
Chemické zvětr trávání Prosté zvětrávání (určeno součinem rozpustnosti) Rozpouštění karbonátů: CaCO 3 + H 2 CO 3 Ca 2+ + 2 HCO 3 Oxidace: Fe 2 SiO 4 + 1/2 O 2 + 2 H 2 O Fe 2 O 3 + H 4 SiO 4 Hydrolýza: Mg 2 SiO 4 + 4 H 2 O 2 Mg 2+ + 4 OH + H 4 SiO 4 13
Chemické zvětr trávání CaAl 2 Si 2 O 8 + H 2 CO 3 CaCO 3 + Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 2 NaAlSi 3 O 8 + 11 H 2 O 2Na + + 2 OH + Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + H 4 SiO 4 3 NaAlSi 3 O 8 + H 2 CO 3 + 7 H 2 O 3Na + + 3 H 4 SiO 4 + Al(OH) 3 + HCO 3 3 NaAlSi 3 O 8 + Mg 2+ + 4H 2 O 2Na 0,5 Al 1,5 Mg 0,5 Si 4 O 10 (OH) 2 + 2 Na + + H 4 SiO 4 Mg 2 SiO 4 + 4 H 2 O 2 Mg 2+ + 4 OH + H 4 SiO 4 Mg 2 SiO 4 + 4 H 2 CO 3 2 Mg 2+ + 4 HCO 3 + H 4 SiO 4 Mg 2 SiO 4 + 4 H + 2 Mg 2+ + H 4 SiO 4 14
Zvětr trávání Zvětráváním horninotvorných minerálů vznikají jílové minerály: Variabilní zastupování Si 4+ ionty Al 3+, nábojová nevyrovnanost vrstev, kompenzována dalšími ionty, vyměnitelné kationty, výměnná kapacita Skupina Obecný vzorec Montmorillonit Al 2 (OH) 2 Si 4 O 10 Illit K 0-2 Al 4 (Si 8-6 Al 0-2 )O 20 (OH) 4 Kaolinit Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 15
Vznik, transformace a rozklad jílových j minerálů 16
Strukturní typy silikátů a jílových j minerálů 17
Polyfunkční výměnn nná struktura jílových j minerálů 18
Půdní granulometrické složen ení 19
Zvětr trávání a výměna plynů 20
Vztahy mezi organismy, organickou hmotou a minerály 21
Typy minerálů a hornin Slow Weathering Rate Fast Stable Unstable quartz clays muscovite K-feldspar biotite Na-plagioclase amphibole pyroxene Ca-plagioclase olivine calcite halite Remain as residue Soluble Components Dissolved ions removed in solution Insoluble components Stable minerals produced by weathering 22
Svah Steep Slopes Products Removed Thin Regolith Gentle Slopes Products Accumulate Thick Regolith 23
Vliv času na vývoj 24
Půdy a klima 25
Eroze Odstraňování zvětralého materiálu: Vodou Větrem Ledovci Přírodní číst horninového cyklu Může být urychleno antropogenními aktivitami 26
Vodní eroze Vegetation Cover reduces runoff Sheetwash overland flow Gully Water percolates Root network holds soil together 27
Vodní eroze Contour Terrace Gullies 28