Cỏc silicỏt nguyờn sinh xuất hiện trong cỏc loại đất do sự phỏ huỷ vật lý của cỏc đỏ mẹ. Chỳng được tỡm thấy chủ yếu trong cỏc nhúm hạt cỏt và limon trừ những loại đất ở giai đoạn đầu đến giai đoạn giữa của chuỗi phong hoỏ Jackson-Sherman, ở đú chỳng cũng tồn tại trong nhúm hạt sột. Sự phong hoỏ hoỏ học cỏc silicat nguyờn sinh làm tăng thờm độ phỡ nhiờu tự nhiờn và hàm lượng cỏc chất điện ly của đất. Nằm trong số cỏc sản phẩm phõn huỷ chớnh của cỏc khoỏng vật này là cỏc chất tan Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+ và Fe2+ trong dung dịch đất. Cỏc cation kim loại Co2+, Cu2+ và Zn2+ là những nguyờn tố vết trong cỏc silicỏt nguyờn sinh và được giải phúng ra dung dịch đất do phong hoỏ. Tất cả cỏc dạng cation tự do dễ tan này đều rất dễ tiờu đối với sinh vật và trừ Na+ chỳng đều là cỏc chất dinh dưỡng cần thiết cho cõy. Cỏc cation Na+, Ca2+, Mg2+ được giải phúng nhờ sự phong hoỏ cỏc silicỏt nguyờn sinh cũng
Bảng 2.2 Tờn và cụng thức hoỏ học của cỏc silicỏt nguyờn sinh
Tờn Cụng thức hoỏ học Nhúm khoỏng vật Fosterit Fayalit Crysolit Enstatit Octoferosit Diopsit Tremolit Actinolit Hocnơblen Muscovit Biotit Mg2SiO4 Fe2SiO4 Mg1.8Fe0.2SiO4 MgSiO3 FeSiO3 CaMgSi2O6 Ca2Mg5Si8O22(OH)2 CaMg4FeSi8O22(OH)2 NaCa2Mg5Fe2AlSi7O22(OH) Olivin Olivin Olivin Pyroxen Pyroxen Pyroxen Amphibol Amphibol Amphibol Mica Mica
Phlogopit Octoclaz Anbit Anoctit K2[Si6Al2]Al4O20(OH)4 K2[Si6Al2]Mg4Fe2O20(OH)4 K2[Si6Al2]Mg6O20(OH)4 KAlSi3O8 NaAlSi3O8 CaAl2Si2O8 Mica Fenspat Fenspat Fenspat
cung cấp một lượng lớn cho nồng độ chất điện ly trong dung dịch đất vựng khụ hạn. Thường nồng độ của cỏc cation hoỏ trị 2 do cỏc silicỏt nguyờn sinh cung cấp cao hơn nồng độ Na+, vỡ vậy mức độ nguy hại do natri của nước tưới thấm qua cỏc đất này giảm xuống.
Tờn và cụng thức hoỏ học của cỏc khoỏng vật silicỏt nguyờn sinh quan trọng đối với đất được liệt kờ ở bảng 2.2. Nhõn cơ bản trong cấu trỳc nguyờn tử của cỏc khoỏng vật này là khối tứ diện oxớt silớc SiO44-. Khối tứ diện oxớt silic cú thể là những đơn vị riờng biệt trong cỏc mạch đơn hay mạch kộp liờn kết với nhau bằng cỏc gúc được dựng chung (qui tắc Pauling 2 và 3), trong cỏc phiến (hỡnh 2.2) hoặc trong cỏc khung ba chiều. Mỗi cỏch tồn tại định rừ một lớp của cỏc silicỏt nguyờn sinh (hỡnh 2.3)
Olivin bao gồm cỏc khối tứ diện oxớt silớc riờng rẽ được giữ lại với nhau bởi cỏc cation kim loại hoỏ trị 2 như Ca2+, Mg2+, Fe2+ và Mn2+ trong phối trớ bỏt diện (hỡnh 2.1). Dung dịch rắn (solid solution) xảy ra với cỏc khoỏng vật fosterit và fayalit (bảng 2.2) để tạo ra một loạt cỏc hỗn hợp với những tờn đặc trưng như crysolit cú chứa 10 - 30% mol fayalit. Olivin cú tỷ
Hỡnh 2.2 Cỏc cấu trỳc phiến của khối tứ diện SiO4 và khối bỏt diện MX6 (vớ dụ, khối bỏt diện Al(OH)6). Cỏc vũng trũn mở ở cỏc gúc của cỏc khối tứ diện và khối bỏt diện xuất hiện ở phần nhỡn thấy được phớa dưới mỗi cấu trỳc phiến.
lệ mol Si/O nhỏ nhất trong số cỏc silicỏt nguyờn sinh, vỡ vậy chỳng cú số lượng cộng hoỏ trị trong cỏc liờn kết hoỏ học nhỏ nhất. Quỏ trỡnh phong hoỏ olivin trong đất khỏ nhanh bắt đầu dọc theo cỏc vết nứt và trờn bề mặt cỏc tinh thể của khoỏng vật để hỡnh thành những lớp vỏ phong hoỏ bao gồm cỏc pha rắn chứa sắt đó bị oxy hoỏ và smectit. Phản ứng minh hoạ quỏ trỡnh này như sau:
12,4Mg1,63Fe(II)0,37SiO4 (r) + 0,8Al(OH)2+(dd) + 25,4H+(dd) + 1,6H2O (l) + O2(k) = (Olivin)
Mg0,40[Si7,2Al0,8]Mg6O20(OH)4(r) + 4,59FeO(OH)(r) + 5,2Si(OH)4o(dd) + 13,5Mg2+(dd) (2.2)
(saponit/smectit) (gơtit) Cỏc phản ứng chủ yếu tham gia vào quỏ trỡnh này là phản ứng thuỷ phõn và phản ứng oxy hoỏ Fe(II) thành Fe(III).
Pyroxen và amphibol chứa đựng cỏc mạch đơn và cỏc mạch kộp khối tứ diện oxớt silic để hỡnh thành đơn vị lặp lại Si2O64- hoặc Si4O116- với cỏc tỷ lệ Si/O xấp xỉ 0,33 - 0,36. Cỏc amphibol đặc trưng bởi sự thay thế đồng hỡnh của Al3+ cho Si4+ (bảng 2.2) và cả 2 nhúm khoỏng vật này đều cú nhiều loại cation kim loại hoỏ trị 2 cũng như Na+ và Fe3+, cựng với O2- trong phối trớ bỏt diện để liờn kết cỏc mạch oxớt silic với nhau. Cỏc phản ứng phong hoỏ cỏc silicỏt này cũng giống như phản ứng trong phương trỡnh 2.2: smectit giàu Mg với Al và Si trong phối trớ tứ diện và Fe oxy hoỏ trong phối trớ bỏt diện được tạo thành cựng với cỏc oxớt sắt và cỏc oxớt silớc hoà tan; Na+, Ca2+ và Mg2+ được giải phúng ra dung dịch đất.
Mica được hỡnh thành từ 2 phiến khối tứ diện oxớt silớc (đơn vị lặp lại là Si2O52-) kết hợp với một mặt phẳng của phiến khối bỏt diện chứa cation kim loại (hỡnh 2.2). Phiến khối bỏt diện điển hỡnh chứa cỏc ion Al, Mg và Fe phối trớ với O2- và OH-. Nếu cation kim loại đú cú hoỏ trị 3, chỉ 2 trong 3 vị trớ cation trong khối bỏt diện cú thể được lấp đầy để đạt được cõn bằng điện tớch và phiến này được gọi là phiến nhị bỏt diện (dioctahedral). Nếu cation kim loại đú là cation hoỏ trị 2, tất cả 3 vị trớ cú thể được lấp đầy và phiến này được gọi là phiến tam bỏt diện (trioctahedral).
Sự thay thế đồng hỡnh của Al cho Si, Fe(III) cho Al, và Fe hoặc Al cho Mg tỡm thấy
Hỡnh 2.3 Những lớp chớnh của cỏc cấu trỳc silicỏt trong cỏc khoỏng vật nguyờn sinh của đất.
chủ yếu trong cỏc mica cựng với sự thay thế của cỏc nguyờn tố vết được chỉ ra ở bảng 2.2a Olivin Pyroxen Amphibol Mica Fespat, thạch anh
Muscovit và Biotit là những mica phổ biến trong đất, Muscovit là nhị bỏt diện, Biotit là tam bỏt diện (bảng 2.2). Trong cả 2 loại khoỏng vật này, Al3+ thay thế cho Si4+ dẫn đến sự thiếu hụt điện tớch. Sự thiếu hụt điện tớch này được cõn bằng bởi ion K+ là ion phối trớ với 12 ion oxy ở cỏc khoảng trống của 2 phiến khối tứ diện đối diện nhau thuộc một cặp lớp mica được xếp chồng lờn nhau. Như vậy cỏc ion K+ liờn kết cỏc lớp mica liền kề nhau với nhau. Phản ứng phong hoỏ đầu tiờn của Muscovit thành vecmiculit được trỡnh bày trong phương trỡnh 2.2a.
K2[Si6Al2]Al4O20(OH)4 +0,8Ca2+(dd) + 1,3Si(OH)4o(dd) (Muscovit)
1,1Ca0,7[Si6,6Al1,4]Al4O20(OH)4(r) + 2K+(dd) + 0,4OH-(dd) + 1,6H2O(l) (2.2a)
(vecmiculit)
Điểm quan trọng của phản ứng này là sự giảm số lượng điện tớch của cation lớp chung (2K+ đ 0,7Ca2+) được gõy ra do sự giảm số lượng của Al được thay thế trong phối trớ tứ diện (2Alđ 1,4Al, được chỉ ra trong những ngoặc vuụng) trong phiến oxớt silic. Sự giảm này tiếp tục khi vecmiculit phong hoỏ tiếp tục thành smectit:
Ca0,7[Si6,6Al1,4]Al4O20(OH)4(r) + 0,42Mg2+(dd) + 0,86Si(OH)4o(dd) +0,56 H+(dd) = 1,05AlOH0,652+[Si7,1Al0,9]Al3,6Mg0,4O20(OH)4(r) + 0,7Ca2+(dd) + 1,56H2O(l) (2.3)
trong đú cỏc cation nằm ở trong phiến khối tứ diện được đặt trong cỏc ngoặc vuụng.
Cỏc quỏ trỡnh tương tự xảy ra đối với Biotit, trừ sự giảm điện tớch cation giữa cỏc lớp được thực hiện do sự oxy hoỏ sắt cũng như do sự mất của nhụm phối trớ tứ diện:
K2[Si6Al2]Mg4Fe(II)2O20(OH)4(r) +3Mg2+(dd) + 2Si(OH)4o(dd) = (Biotit)
1.25Mg0,4[Si6,4Al1,6]Mg5,2Fe(III)0,8O20(OH)4(r) + FeO(OH)(r) + K+(dd) + 4H+(dd) (2.4)
(vecmiculit) (gơtit)
Chỳ ý rằng điện tớch của cation giữa cỏc lớp bị giảm khoảng 0.8 điện tớch dương do sự oxy hoỏ Fe(II) thành Fe(III) khi chuyển hoỏ Biotit thành vecmiculit. Phần cũn lại của Fe phối trớ bỏt diện bị bật ra khỏi phiến silicat để kết tủa như gơtit.
Cấu trỳc nguyờn tử của cỏc fenspat là khung ba chiều liờn tục của cỏc khối tứ diện chung gúc như thạch anh, trừ khung khối tứ diện cú chứa Al thay thế cho Si. Như vậy yờu cầu hoặc cation hoỏ trị 1 hoặc cation hoỏ trị 2 chiếm cỏc lỗ hổng trong khung để cõn bằng điện tớch. Những khoỏng vật này cú đơn vị lặp lại hoặc là AlSi3O8- với Na+ hoặc K+ để cõn bằng điện tớch, hoặc Al2Si2O82- với Ca2+ để cõn bằng điện tớch (bảng 2.2). Vỡ vậy dung dịch rắn
Bảng 2.2a Sự tồn tại của cỏc nguyờn tố vết trong cỏc khoỏng vật nguyờn sinh
B Ti V Cr Co Ni Cu Zn As Se Mo Cd Pb
Tuốcmalin[NaMg3Al6B3Si6O27(OH,F4)]; sự thay thế đồng hỡnh cho Si trong mica.
Rutin (TiO2) và inmenit (FeTiO3); cỏc chất lẫn dạng oxớt trong cỏc silicỏt. Sự thay thế đồng hỡnh cho Fe trong pyroxen và amphibol và sự thay thế đồng hỡnh cho Al trong mica; sự thay thế cho Fe trong cỏc oxớt.
Cromit(FeCr2O4); sự thay thế đồng hỡnh cho Fe hoặc Al trong cỏc khoỏng vật khỏc nhau của nhúm spinel.
Sự thay thế đồng hỡnh cho Mn trong cỏc oxớt và sự thay thế đồng hỡnh cho Fe trong pyroxen, amphibol và mica.
Cỏc chất lẫn chứa sunfua trong cỏc silicỏt; sự thay thế đồng hỡnh cho Fe trong olivin, piroxene, amphibol, mica và spinel.
Cỏc chất lẫn chứa sunfua trong cỏc silicỏt; sự thay thế đồng hỡnh cho Fe và Mg trong olivin, pyroxen, amphibol và mica và sự thay thế đồng hỡnh cho Ca, K hoặc Na trong cỏc fenspat.
Cỏc chất lẫn chứa sunfua trong cỏc silicỏt; sự thay thế đồng hỡnh cho Mg và Fe trong olivin, pyroxen và amphibol và sự thay thế đồng hỡnh cho Fe hoặc Mn trong cỏc oxớt.
Cỏc khoỏng vật chứa As: FeAsO4.2H2O, Mn3(AsO4)2…
Cỏc khoỏng vật chứa Se; Sự thay thế đồng hỡnh cho S trong cỏc sunfua; selenua sắt.
Molypdenit (MoS2); sự thay thế đồng hỡnh cho Fe trong cỏc oxớt.
Cỏc chất lẫn chứa sunfua và sự thay thế đồng hỡnh cho Cu, Zn, Hg và Pb trong cỏc sunfua.
Cỏc chất lẫn chứa sunfua và photphỏt; sự thay thế đồng hỡnh cho K trong cỏc fenspat và mica, sự thay thế đồng hỡnh cho Ca trong cỏc fenspat, pyroxen và cỏc photphat và sự thay thế cho Fe và Mn trong cỏc oxớt.
(solid solution) của cỏc khoỏng vật này được hỡnh thành rộng rói. Cỏc fenspat cú thể bị phong hoỏ cuối cựng hỡnh thành kaolinit và gipxit, nhưng sự phõn huỷ của chỳng ban đầu tạo thành alophan và smectit:
4KAlSi3O8(r) + 4H+(dd) + (n+16)H2O(l) = (octoclaz)
Si3Al4O12.nH2O(r) + 9Si(OH)4o(dd) + 4K+(dd) (2.5a) (alophan)
4KAlSi3O8(r) + 0,5Mg2+(dd) + 2H+(dd) + 10H2O(l) = (octoclaz)
K[Si7,5Al0,5]Al3,5Mg0,5O20(OH)4(r) + 4,5Si(OH)4o(dd) + 3K+(dd) (2.5b)
Chỳ ý cỏc phản ứng này cũng cú sự tiờu thụ proton, tạo ra axớt silisic và cỏc cation dạng hoà tan như phương trỡnh 2.3.
Như vậy đặc điểm chung của quỏ trỡnh phong hoỏ cỏc silicỏt nguyờn sinh như sau: + Mất Al phối trớ khối tứ diện
+ Sự oxy hoỏ của Fe(II) + Sự tiờu thụ proton
+ Sự giải phúng Si, và cỏc cation kim loại Na+, K+, Ca2+ và Mg2+.
Trong trường hợp cỏc silicỏt dạng phiến (mica) cũng cú sự giảm quan trọng của điện tớch giữa cỏc lớp cựng với cỏc đặc điểm 1 và 2 nờu trờn.