soil 2 - soil formation

22
Thanh NK 1 Chương 1 SHình Thành Đất Nguyn Kim Thanh 2011 2 Chu kñá 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

Upload: thanh-tr

Post on 02-Dec-2014

58 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: 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

Page 2: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 3: Soil 2 - Soil Formation

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)

Page 4: Soil 2 - Soil Formation

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%

Page 5: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 6: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 7: Soil 2 - Soil Formation

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.

Page 8: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 9: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 10: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 11: Soil 2 - Soil Formation

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.

Page 12: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 13: Soil 2 - Soil Formation

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 “

Page 14: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 15: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 16: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 17: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 18: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 19: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 20: Soil 2 - Soil Formation

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?

Page 21: Soil 2 - Soil Formation

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

Page 22: Soil 2 - Soil Formation

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)