Chương I: ĐÁ VÀ KHOÁNG CHẤT TẠO THÀNH ĐẤT Khoáng chất là những hợp chất giống nhau về thành phần và cấu tạo được hình thành trong điều kiện tự nhiên do các quá trình lý, hóa học của vỏ Trái Đất. Các khoáng chất là thành phần cấu tạo nên đá hình thành đất. Phần khoáng của đất chiếm khoảng 60 - 99% khối lượng đất và tăng theo chiều sâu phẫu diện đất. Thành phần khoáng của đất chia thành 2 nhóm chính: khoáng nguyên sinh và khoáng thứ sinh (bảng l).
Có tác giả chia thành 3 nhóm và nhóm thứ 3 là khoáng vô định hình. Bảng 1: Các khoáng nguyên sinh và thứ sinh phổ biến ở trong đất (Theo John Wiley và Sons, 1977) THỨ TỰ TÊN KHOÁNG CÔNG THỨC HOÁ HỌC Khoáng nguyên sinh 1 Quactz SiO2 2 Muscovit KAl2(AlSi3O10)(OH)2 3 Biotit K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2 4 Fenpat: a-octoclaz KAlSi3O8 b-microlin KAlSi3O8 c-anbit NaAlSi3O8 5 Amphibol Tremolit Ca2Mg5Si8O22(OH)2 6 Pyroxen a-Enstatit MgSiO3 b-Diopsit CaMg(Si2O6) c-Rhodouit MnSiO3 7 Olivin (Mg,Fe)2SiO4 8 Epidot Ca2(Al,Fe)3Si3O12(OH) 9 Turmalin (Na,Ca)(Al,Fe3+,Li,Mg)3Al6(BO3)3(Si6O18)(OH)4 10 Ziricon ZrSiO4 11 Rutin TiO2 Khoáng thứ sinh 12 Khoáng sét a-Kaolinit Si4Al4O10(OH)8 b-montmorilonit Mx(Al,Fe2+,Mg)4Si8O20(OH)4-(Mx là cation bên trong lớp khoáng) c-vecmiculit (Al,Mg,Fe3+)4(Si,Al)8O20(OH)4 13 Allophan Si3Al4O12.nH2O 14 Imogolit Si2Al4O10.5H2O 15 Gơtit FeOOH 16 Hematit α-Fe2O3 1 17 Manhêtit γ-Fe2O3 18 Gibxit Al(OH)3 19 Pyroluxit β-MnO2 20 Dolomit Ca,Mg(CO3)2 21 Canxit CaCO3 22 Gyp CaSO4. MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ - HÓA HỌC CỦA KHOÁNG CHẤT a) Khoáng chất nguyên sinh Khoáng chất nguyên sinh là khoáng trong thành phần khối macma ở sâu trong lòng đất hay phun trào trên bề mặt ngưng tụ mà thành như fenspat, mica … Theo thành phần hóa học được chia thành 3 nhóm chính sau: - Các oxyt: thạch anh (SiO2), hematit (Fe3O4), manhetit (Fe3O4), rutin (TiO2), Kyanit (Al2siO3). Các khoáng oxyt khó phong hóa, nhiều nhất là oxyt chứa Fe (5%, đất nhiệt đới nhiều hơn).
- Các silicat: là muốí axit silixic, metasitixic và octhosilixic. Tất cả khoáng chất này dễ phong hóa hơn nhóm oxyt, trong đất chứa khoảng 5 – 15%. Những khoáng chất này là muối của axit alumosili xic - Công thức chung là H2OAl2O3. Các alumosilicat trong đất quan trọng là mica trắng (muscovit) và mica đen (biotit).
Khoáng chất nhóm này dễ phong hóa, đất chứa khoảng 10%. Ngoài ra còn có khoáng sunphit (FeS2 - pyrit) photphát (apatit) đều dễ phong hóa. Các khoáng chất nguyên sinh khác nhau thì có mầu sác và độ cứng khác nhau. Trong thực tế tất cả khoáng chất nguyên sinh trong đất có nguồn gốc trực tiếp từ đá.
Chúng thường là những mảnh vỡ nhỏ tinh thể, chưa bị phong hóa hay phong hóa nhẹ, chiếm ưu thế trong các phần thô của đất (cát, cuội nhỏ). b) Khoáng chất thứ sinh Khoáng thứ sinh được hình thành trong quá trình tạo thành đất từ sản phẩm phong hóa khoáng nguyên sinh (hình l). KAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O = Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ Octolaz (khoáng nguyên sinh) kaolinit (khoáng thứ sinh) Khoáng chất thứ sinh quan trọng nhất trong đất là nhóm khoáng sét. Khoáng sét là hợp chất có công thức nSiO2Al2O3.mH2O, trong đó tỷ lệ SiO2/Al2O3 thay đổi từ 2 - 5 và nó liên quan đến kiểu khoáng sét.
Đơn vị cấu trúc cơ bản của khoáng sét là tứ diện oxyt silic và bát diện alumohydroxyl. Các đơn vị cấu trúc cơ bản này liên kết với nhau tạo thành lớp. Khoáng kaolinit là khoáng sét có l lớp, tứ diện liên kết với l lớp 8 mặt 2 (gọi là khoáng l : 1 ). Còn khoáng montmonilonit có 2 lớp tứ diện kẹp giữa l lớp 8 mặt.
- Khoáng sét kaolinit (1 : l): Công thức chung là 2SiO2Al2O3.2H2O, Có lượng SiO2 thấp nhất. Khoảng cách giữa các lớp đơn vị kết cấu nhỏ (2,7 Ă )* hay độ dày của l lớp kết cấu là 7,1 Ă, tỷ diện 8m2/g, hầu như không có hiện tượng trao đổi đồng hình trong tinh thể. Khoáng sét kaolinit hấp phụ kém đối với H2O và các cation, dung tích hấp phụ thấp (5 - 10 mđlg/100g khoáng). Keo khoáng kaolinit có tính lưỡng tính, có độ bền cao, là sản phẩm phong hóa nhiệt đới và cận nhiệt đới, chiếm ưu thế ở đất đỏ nhiệt đới.
- Khoáng sét montmorilonit (2:l) (4SiO2.2H2O) chứa SiO2 nhiều hơn caolinit. keo chỉ tích điện âm do thay thế đồng hình, khoảng cách giữa các lớp đơn vị kết cấu là 3,5 - 14,0 Ă, độ dày l lớp là 9,6 - 20,0 Ă. Dung tích hấp phụ trao đổi cation lớn l00- 120 mđlg/100g khoáng. Khoáng sét montmorilonit có khả năng hút nước trương nở tới khoảng cách 30 Ă, tỷ diện lớn gấp 10 lần kaolinit.
Đấy là khoáng sét đặc trưng cho đất vùng ôn đới. - Khoáng sét illit được coi là dạng trung gian giữa hai loại trên, gần với montmorilonit hơn. - Khoáng thứ sinh nhôm oxyt và hydroxyt. Trong đất nhiệt đới và cận nhiệt đới thường gặp nhóm khoáng này như hydroxyt nhôm (gibxit Al(OH)3), hydroxyt sắt nặng cớ màu nâu đỏ hay nâu vàng, nâu đen (gơtit, limonit, hematit) hydroxyt Mn có màu đen, mềm, kết thành hạt tròn nhỏ trong đất phù sa và đất đá vôi (chủ yếu manganit - Mn2O3.
Độ bền phong hóa và sự hình thành khoáng thứ sinh được biểu diễn ở hình 2 : Hình 2 - Sơ đồ hình thành khoáng thứ sinh Độ bền hay tính ổn định tương đối của các dạng khoáng sét dưới tác dụng của quá trình phong hóa được xếp theo thứ tự sau : Kaolinit > montmorilonit > illit. Khoáng illit thường không ổn định biến thành illit ngậm nước và cuốí cùng tạo thành montmorilonit. Khoáng sét là những phần tử rất nhỏ mỏng (2 µm*), tinh thể, cấu trúc lớp mỗi lớp riêng nhau, có tính chất keo, mang điện. Đó là lý do làm cho khoáng sét hấp phụ các phần tử nước, các ion từ môi trường và có tính trương nở.
Hàm lượng và thành phần khoáng sét ảnh hưởng lớn đến độ phì đất và khả năng chịu tải ô nhiễm môi trường đất. CÁC LOẠI ĐÁ TẠO THÀNH ĐẤT 3 Đá do một hay nhiều khoáng tạo thành, là vật chất cấu tạo vỏ Trái Đất. Đá hình thành đất gọi là đá mẹ (parent rock) thường nằm dưới lớp đất. Vì vậy tính chất đất liên quan rất lớn với đá mẹ hình thành chúng.
Dựa vào nguồn gốc hình thành chia ra 3 loại đá: đá macma, đá biến chất và đá trầm tích. a) Đá macma có 5 loại, được chia theo hàm lượng SiO trong chúng. Đá macma siêu axit có hàm lượng SiO2 > 75% Đá macma axit có hàm lượng SiO2 từ 65 - 75 % Đá macma trung bình có hàm lượng SiO2 từ 52 - 65% Đá macma hazơ có hàm lượng SiO2 : 45 - 52% Đá macma siêu bazơ có hàm lượng SiO2 < 45% Tất cả các đá macma có cấu trúc tinh thể, nếu khối macma bị đông đặc và nguội ở dưới sâu gọi là macma xâm nhập thì có cấu trúc hạt lớn, phân biệt hạt rõ (như granit). Còn khối macma phun trào lên mặt đông đặc và nguội thì gọi là đá macma phun trào, có cấu trúc hạt nhỏ mịn (hình 3).
Đá macma chiếm tới 95% đá hình thành vỏ Trái Đất, và theo chiều giảm của SiO trong đá thì màu sắc trở nên tối dần và dễ phong hóa hơn. Hình 3: Phân loại đá macma theo lượng cation bazơ và kích thước hạt. (Malcolm Cresser và Ken Kiliham. 1993) Ở Việt Nam, granit có thể màu trắng, xám đen, hồng, phụ thuộc vào khoáng mica trắng hay đen, có ở Cao Bằng, Lạng Sơn, Thanh Hóa, Quảng Bình, Quảng Trị, Huế, đèo Hải Vân.
Liparit có ở Tam Đảo, Thanh Hóa, Nha Trang. Bazan ở Phủ Quỳ (Nghệ An), Vĩnh Linh và nhiều nhất ở Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. b) Đá trầm tích : Tạo thành do tái trầm tích các sản phẩm vỡ vụn trong quá trình do phong hóa các loại đá khác và kết gắn chắc lại. Nó có đặc điểm là phân lớp, kiến trúc hạt kích thước khác nhau, thành phần khoáng vật đơn giản hơn đá khác.
- Đá cát là loại phố biến nhất, hầu như tỉnh nào cũng có, đất hình thành trên loại đá này nghèo chát dinh dưỡng, thành phần cơ giới nhẹ. - Đá phiến sét có cấu tạo thành lớp, có màu vàng đỏ, dễ phong hóa, giàu chất dinh dưỡng, gặp ở vùng trung du phía Bắc, thành phần cơ giới nặng hơn. - Đá hỗn hợp gồm đá cát tồn tại xen kẽ đá phiến. - Đá vôi có thành phàn khoáng chủ yếu là canxit, trầm tích hóa học hay sinh học, màu xám trắng, đen hay hồng, phân lớp.
Vùng núi đá vôi có địa hình đặc biệt như castơ, có 4 hang động ngầm, suối nước nóng. Đá đolomit là đá vôi đolomit hóa, có trong thành phần một lượng đáng kể MgCO3. Đá vôi có nhiều ở Thanh Hóa, Hà Nam, Ninh Bình. - Đá photphorit - Ca3(PO4)2 vàng nâu hay xám do lẫn chất hữu cơ.
- Đá apatit - Ca5(PO4)2(FCl) hình thành do trầm tích sản phẩm sinh vật giàu photpho ở biển, màu xanh xám hay nâu xám. Apatit có nhiều ở Lào Cai. Ngoài ra than bùn, than đá và những sản phẩm trầm tích sinh học không thuộc đá trầm tích. Do tác dụng của nhiêt độ, áp suất.
mà các đá macma, trầm tích bị biến chất tạo ra đá mới gọi là đá biến chất. - Đá gnai được hình thành từ loại đá có kiến trúc hạt. khoáng vật là thạch anh, fenspat và khoáng có màu, gặp ở Hoàng Liên Sơn, cao nguyên Kon Tum. - Đá hoa hình thành do đá vôi và đolomit kết tinh lại ở nhiệt độ cao, có màu khác nhau.
- Đá quăczit là loại đá khó phong hóa, đất hình thành trên loại đá này có tầng đất mỏng, nghèo chất dinh dưỡng. - Đá amphibolit do macma bazơ biến chất mà thành. - Đá phiến kết tinh là đá có kiến trúc hạt dạng phiến rõ rệt, được thấy ở Yên Bái, Lào Cai , Kon Tum. Chương 2 PHONG HÓA VÀ QUÁ TRÌNH TẠO THÀNH ĐẤT l.
KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT Đất được hình thành và tiến hóa chậm hàng thế kỷ do sự phong hóa đá và sự phân hủy xác thực vật dưới ảnh hưởg của các yếu tố môi trường. Một số đất được hình thành do bồi lắng phù sa sông biển (alluvial soils) hay do gió. Đất có bản chất khác cơ bản với đá là có độ phì nhiêu, tạo sản phẩm cây trồng. Đất được xem như sản phẩm hoạt động của khí hậu (Cl) trên đá mẹ (p) được làm thay đổi dưới ảnh hưởng của thực vật và các cơ thể sống khác (o), địa hình (r) và phụ thuộc vào thời gian (t).
Jenny đã biểu diẽn mối quan hệ đó như sau : Đất = f(p, Cl, t, r, o), bao gồm 5 biến số và nguời ta gọi là 5 yếu tố hình thành đất. Người ta khẳng định đất thực tế là hệ thống hở cuối cùng mà trong đó có các quá trình nhất định hoạt động (hình 4) : Các hoạt động thêm vào đất, mất khỏi đất, chuyển dịch vị trí trong đất và hoạt động chuyển hóa trong đất.