B A D A N IA SK ŁA D U M INERALOGICZNEGO FRAKCJI ILASTEJ W Y BR A N Y C H GLEB BR U N A TNYCH NIZINY WIELKOPOLSKIEJ

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XLVII NR 3/4 WARSZAWA 1996: H A L IN A D Ą B K O W SK A -N A SK R Ę T, JACEK D Ł U G O SZ, M IR O SŁAW KOBIERSKI B A D A N IA SK ŁA D U M INERALOGICZNEGO FRAKCJI ILASTEJ W Y BR A N Y C H GLEB BR U N A TNYCH NIZINY WIELKOPOLSKIEJ Katedra G leb o zn a w stw a A k adem ii T ech n iczn o -R o ln iczej w B y d g o szczy W S T Ę P Obszar Wielkopolski położony jest w strefie kontaktowej utworów młodszych powstałych w czasie zlodowacenia wisły i starszych - zlodowacenia warty, z których wytworzyły się gleby różnych typów, między innymi gleby brunatne [Cieśla 1961, 1968]. Gliny zwałowe moren dennych i gleby z nich wytworzone odznaczają się regionalną specyfiką w zakresie składu petrograficznego [Mojski, Rzechowski 1967] oraz składu chemicznego frakcji ilastej [Cieśla, Dąbkowska-Naskręt 1983]. Natomiast pod względem składu mineralogicznego gliny zwałowe wykazują dość znaczną jednorodność [Stankowska 1979]. Celem niniejszej pracy była analiza składu mineralogicznego (jakościowego i ilościowego) frakcji ilastej gleb brunatnych właściwych powstałych z gliny zwałowej dwóch różnowiekowych zlodowaceń ze szczególnym uwzględnieniem obecności minerałów mieszanopakietowych. M A T E R IA Ł I M E T O D Y Do analizy mineralogicznej wytypowano trzy profile gleb brunatnych właściwych typowych z obszaru dwóch jednostek fizjograficznych Wielkopolski: Równinę Wrzesińską reprezentuje profil Kawęczyn, Wysoczyznę Kaliską - profile Żerniki i Dłoń (rys. 1). Gleba brunatna z Kawęczyna wytworzyła się z gliny zwałowej zlodowacenia wisły fazy poznańskiej, natomiast gleby brunatne z Żernik i Dłoni uformowały się na glinie zwałowej zlodowacenia warty [Lindner i in. 1995]. Z poziomów genetycznych każdego profilu glebowego pobrano próby, w których wykonano następujące oznaczenia: składu granulometrycznego metodą Cassagrande a w modyfikacji Prószyńskiego, ph w KC1, zawartości C-org. metodą Tiurina, a C ac 03 przy użyciu aparatu Scheiblera. W celu wydzielenia frakcji ilastej (<0,002 mm) próby glebowe poddano

2 /7 2 H. D ąbkow ska-n askręt i in. RYSUNEK 1. Schematyczna mapa rozmieszczenia punktów badawczych na glebie brunatnej właściwej: 1 - Dłoń, 2 - Kawęczyn, 3 - Żerni ki FIGURE 1. Schematic map of layout of investigated stands on typical brown soil: 1 - Dłoń, 2 - Kawęczyn, 3 - Żcrniki preparatyce przygotowawczej według Jacksona [Cieśla 1965] (bez usuw ania wolnych tlenków żelaza), a frakcję ilastą wydzielono metodą sedymentacji przyspieszonej [Jackson 1960]. Próby frakcji ilastej przeznaczone do badań mineralogicznych wysycono jonami K+ i M g++ oraz solwatowano glikolem etylenowym. Analizę mineralogiczną przeprowadzono metodą dyfraktometru rentgenowskiej na dyfraktometrze rentgenowskim HZG-4 przy użyciu promieniowania C uk a i filtru Ni, zaś analizę ilościową - metodą zaproponowaną przez Bogdę i Chodaka [Cho dak i in. 1990] z wykorzystaniem wskaźników podanych przez Lavesa i Jahna [1972]. WYNIKI Analizowane gleby brunatne zawierają od 8,0 do 27% frakcji koloidalnej. Najmniejsza ilość tej frakcji występuje w poziomiepróchnicznym (tab. 1). Odczyn badanych gleb jest mało zróżnicowany, a ph w KC1 waha się w przedziale 6,4-7,7. Największe wartości ph wykazuje skała macierzysta, w której występuje C ac 0 3 w ilości 10-14%. Badane gleby mają uziarnienie typowe dla gliny zwałowej (gliny lekkie i gliny lekkie pylaste). Zawartość węgla organicznego w poziomie próchnicznym analizowanych gleb brunatnych właściwych waha się w granicach 0,52-0,64%, a w poziomach podpowierzchniowych maleje wraz z głębokością. W składzie mineralogicznym frakcji ilastej omawianych gleb brunatnych dominującym minerałem jest illit, którego zawartość waha się od 26 do 36% (tab. 2). Najmniejszą ilość illitu stwierdzono w poziomie brunatnienia (Bbr) gleby z Kawęczyna (rys. 2) natomiast najwięcej w poziomie brunatnienia z Żernik (rys. 3). Drugim pod względem ilościowym składnikiem "jednorodnym" w analizowanej frakcji ilastej są minerały z grupy chlorytu, na co wskazuje obecność pików w zakresie 0,712 nm oraz 0,467-0,476 nm. Zawartość tych minerałów waha się od 12 do 15%. Minerały pęczniejące w analizowanej frakcji ilastej reprezentują minerały z grupy smektytu w ilości 9-14%. Nieco mniej smektytów w porównaniu ze skałą macierzystą występuje w poziomie brunatnienia i ornopróchnicznym. Większe ilości minerałów smektytowych wykryto w glinie warciańskiej - starszej aniżeli w młodszej - vistuliańskiej (próby z Dłoni - rys. 4 i Żernik - tab. 2).

3 Skład m ineralogiczny fra kcji ilastej 173 Profil Profile T A B E L A 1. Niektóre w łaściw ości fizykochem iczne badanych gleb T A BLE 1. Selected physical and chem ical properties o f investigated soils Poziom genetyczny H orizon G łębokość Depth [cm] Zawartość frakcji C- org. Content o f fraction [%1 <0,02 mm <0,002 mm [%] СаСОз K aw ęczyn Ap ,4 8,7 0,52 0,0 7,6 A ,7 9,0 0,27 0,0 7,5 Bbr ,1 22,8 0,27 0,0 7,4 Cca ,6 16,8 12,0 7,7 Żerniki Ap ,0 7,6 0,64 0,0 7,2 Bbr ,1 23,9 0,0 7,2 Ccag ,1 19,1 10,0 7,3 Ccag ,6 18,9 12,0 7,3 D łoń Ap ,0 8,0 0,64 0,0 7,1 Bbr ,0 27,0 0,23 0,0 6,4 Cca ,0 18,0 14,0 7,5 Cca ,0 20,0 13,0 7,6 [% ] ph w -in KC1 Znaczącą część frakcji ilastej analizowanych gleb brunatnych stanowią minerały mieszanopakietowe zawierające w swoim składzie warstwy smektytowe. Do minerałów tych należą minerały chlorytowo-smektytowe, których w badanych glebach jest 13-17% oraz illitowo-smektytowe w ilości od 9 do 17% (tab. 2). Najwięcej minerałów illitowo-smektytowych występuje w poziomie brunatnienia (tab. 2). Wstępne badania zawartości pakietów smektytowych w strukturach minerałów illitowo-smektytowych, przeprowadzone na podstawie pików pochodzących od linii 002 i 003 tych minerałów [Srodoń 1984], wykazały duże zróżnicowanie w ici i zawartości (od 32% do 49% warstw smektytowych). Natomiast frakcja ilasta utworów macierzystych badanych gleb zawierała minerały illitowo-smektytowe o zbliżonej do siebie zawartości warstw smektytowych (32-35%). W minerałach chlorytowo-smektytowych obecnych w badanych glebach zaobserwowano duże zróżnicowanie pod względem ilości warstw smektytowych, o czym świadczy różne położenie piku 001 (1,46-1,68 nm) oraz 002 (0,714-0,850 nm) [Reynolds 1980]. Minerałem akcesoryjnym w badanych glebach jest kaolinit, którego zawartość nie przekracza kilku procent i tylko w poziomie Ap z Żernik jest wyższa i wynosi 11% (tab. 2). Oprócz minerałów ilastych w analizowanej frakcji występują domieszki kwarcu (piki 0,425 nm) oraz skaleniowców (0,320-0,324 nm). W próbach gleb z poziomu Bbr i Ccag w profilu Żerniki oraz poziomach Ap i Bbr profilu Dłoń stwierdzono występowanie piku przy odległości d = 0,627-0,629 nm. Odległość ta jest charakterystyczna dla lepidokrokitu i pochodzi od linii 020 tego minerału [Fitzpatrick i in. 1985]. DYSKUSJA Na podstawie cech morfologicznych i właściwości fizykochemicznych analizowane gleby zaliczono do podtypu gleb brunatnych właściwych typowych

4 174 H. D ąbkow ska-n askręt i in. RYSUNEK 2. Dyfraktogramy frakcji ilastej z profilu Kawęczyn FIGURE 2. X-ray diffractograms of clay fractions of profile Kawęczyn

5 Skład m ineralog i czny fra kcj i i las tej 175 RYSUNEK 3. Dyfraktogramy frakcji ilastej z profilu Żerniki FIGURE 3. X-ray diffractograms of clay fractions of profile Żerniki

6 176 H. D ąbkow ska-n askręt i in. RYSUNEK 4. Dyfraktogramy frakcji ilastej z profilu Dłoń FIGURE 4. X-ray diffractograms of clay fractions of profile Dłoń

7 Skład m ineralogiczny frakcji ilastej 177 T A B E L A 2. Skład ilościow y m inerałów ilastych we frakcji < 0,002 mm analizow anych gleb TA BLE 2. M ineralogical com position o f clay fraction from investigated soils Profil Profile Poziom H orizon [cm] G łębokość Depth Zawartość minerałów ilastych [%] Content o f clay minerals [%] I I/S S CH/S CH I/CH К K aw ę Ap czyn Bbr Cca Żerniki Ap Bbr Ccag Ccag D łoń Ap Bbr Cca Cca I - minerały typu illitu - illite type minerals, S - minerały tyspu smektytu - smectite type minerals, Ch - minerały typu chlorytu - chlorite type minerals, I/S - illit/smektyt - illite/smectite, I/Ch - illit/chloryt - illite/chlorite, Ch/S - chloryt/smektyt - chlorite/smectite, К - kaolinit - kaolinite. [Systematyka PTG 1989]. Poziom próchniczny tych gleb wykazuje charakterystyczne dla nich spiaszczenie, czego oznaką jest mniejsza zawartość frakcji ilastej w porównaniu z materiałem skały macierzystej (tab. 1). Podobne zjawisko zaobserwowano w innych glebach wytworzonych z gliny zwałowej [Cieśla 1968; Stankowska 1979; Cieśla, Dąbkowska-Naskręt 1983]. Wysoka wartość ph badanych gleb brunatnych związana jest z obecnością znacznych ilości CaCÓ3, szczególnie w skale macierzystej. Tak duże ilości węglanu wapnia są charakterystyczne dla tego typu skały macierzystej [Cieśla 1968]. Analiza dyfraktometryczna wykazała, że ilości illitu obecne we frakcji ilastej gliny zwałowej zlodowacenia wisły i warty są do siebie zbliżone. Zawartości te są nieco mniejsze od zawartości illitu we frakcji ilastej gleb wytworzonych z gliny zwałowej opisanych przez innych autorów [Brogowski, Mazurek 1990; Bogda i in. 1990; Chodak i in. 1990], lecz mieszczą się w zakresie podanym przez Rosenqvista [1975] dla gliny zwałowej południowej Norwegii. Zwraca uwagę znaczny udział minerałów z grupy chlorytu w analizowanej frakcji ilastej. Jest on porównywalny do udziału tych minerałów we frakcji ilastej gleby brunatnej badanej przez Brogowskiego i Mazurka [1990] oraz w glinie skandynawskiej [Rosenqvist 1975]. Minerały chlorytowe stanowią mieszaninę chlorytów o zróżnicowanej strukturze, czego dowodem jest duża ilość refleksów w zakresie 0,467-0,476 nm. Są to w przeważającej części drobnoziarniste chloryty magnezowo-żelaziste powstałe w procesie pedogenezy. Wskazuje na to zanik refleksu linii 002 (0,712 nm) w próbach prażonych w temperaturze 550 C. Zanik ten spowodowany jest kolapsacją tego typu chlorytów. W analizowanych glebach zwraca uwagę niska zawartość minerałów smektytowych, których ilość jest jednak zbliżona do zawartości stwierdzonych przez Brogowskiego i Mazurka [1990] w glebach brunatnych. Podobnie jak w glebach badanych przez tych autorów, frakcja ilasta z poziomu brunatnienia analizowanych gleb nie wykazywała wzbogacenia w minerały smektytowe. Stosunkowo

8 178 H. D ąbkow ska-n askręt i in. niewielkie ilości minerałów smektytowych w poziomach objętych procesem brunatnienia świadczyć mogą o małej stabilności tych minerałów. Potwierdzeniem braku stabilności minerałów pęczniejących jest ich duża niejednorodność, na co wskazuje różne przesunięcie refleksu linii 001 w próbkach solwatowanych glikolem etylenowym ( 1,68-1,74 nm). Małą stabilność minerałów pęczniejących potwierdza również duża ilość minerałów mieszanopakietowych zawierających warstwy smektytowe w badanych glebach. Znaczne ilości minerałów mieszanopakietowych są charakterystyczne dla glin zwałowych [Brogowski, Mazurek 1990: Bogda i in. 1990: Chodak i in. 1990; Reynolds 1980]. Zawartość tych minerałów w analizowanej frakcji ilastej gliny vistulianskiej i warciańskiej była niższa niż zawartość we frakcji ilastej gliny zwałowej fazy poznańskiej oscylacji krajeńskiej [Długosz 1994]. Duże ilości minerałów mieszanopakietowych zawierających warstwy chlorytowe (chlorytsmektyt, illit-smektyt) oraz chlorytów świadczyć może o chlorytowym kierunku transformacji minerałów badanej frakcji ilastej. Dalsze badania nad tą grupą minerałów mogą przyczynić się do potwierdzenia tego kierunku transformacji składników frakcji ilastej gleb brunatnych. Obecność lepidokrokitu we frakcji ilastej gleb brunatnych świadczy o występowaniu w tych glebach warunków redukcyjnych, spowodowanych oglejeniem, co potwierdzają inne badania [Blume 1988 ]. Dokładne poznanie mineralogii słabo wykrystalizowanych minerałów żelazistych, których przedstawicielem jest lepidokrokit, wymaga dalszych szczegółowych badań. WNIOSKI 1. We frakcji ilastej analizowanych gieb brunatnych właściwych Niziny Wielkopolskiej dominującymi minerałami są: illit oraz minerały mieszanopakietowe, obecne są również chloryty, smektyty oraz niewielkie ilości kaolinitu. 2. W minerałach mieszanopakietowych przeważają minerały typu chlorytsmektyt oraz illit-smektyt. 3. Występujące we frakcji ilastej chloryty są pochodzenia pedogenicznego i posiadają bardzo zróżnicowaną strukturę. 4. Niewielkie ilości smektytów oraz obecność stosunkowo dużej ilości chlorytów i minerałów mieszanopakietowych z warstwami chlorytowymi świadczyć może o dużej intensywności procesu chlorytyzacji w analizowanych glebach brunatnych. 5. Obecność w niektórych próbach lepidokrokitu dowodzi występowania w badanych glebach warunków redukcyjnych związanych z oglejeniem. LITERATURA BLUME H.P. 1988: The fate of iron during soil formation in humid-tempcraturc environments. (In:) Iron in soils and clay minerals. Reidel Publishing Company. BOGDA A., CHODAK T., NIEDŹWIECKI E. 1990: Niektóre właściwości i skład mineralogiczny gleb Równiny Gumicnicckiej. Rocz. Glebozn. 41, 3/4: BROGOWSKI Z., MAZUREK A. 1990: Stan mineralny ziaren o średnicy < 0,02 mm w glebie brunatnej wytworzonej z gliny zwałowej. Rocz. Glebozn. 41, 1/2: 5-21.

9 S kład m ineralogiczny frakcji i las rej 179 CHODAKT.. BOGDA Л., KASZUBKIEWICZ J. 1990: Skład minerałów ilastych a niektóre właściwości gleb. Zcsz. Nauk Akad. Roi. we W rocławiu: CIEŚLA W : W łaściwości chemiczne czarnych ziem kujawskich na tle środowiska geograficznego. PT PN Wydz. Nauk Roi. i Lcś. Poznań, 8,4. CIEŚLA W. 1965: Adaptacja metody Jacksona przygotowania próbek gleby do celów analizy chem icznej i innych badań glebowych. Rocz.. Glcbozn. 15, dod: CIEŚLA W. 1968: Geneza i właściwości gleb uprawnych wytworzonych z gliny zwałowej W ysoczyzn) Kujawskiej. Rocz. WSR Poznań, 18. CIEŚLA W., DĄBKOW SKA-NASKRĘT II. 1983: Skład chemiczny frakcji ilastej gleb wytworzonych z glin zwałowych moren dennych Niziny Wielkopolskiej. Rocz. Glcbozn. 34, 3: DŁUGOSZ J. 1994: Minerały mieszanopakictowe typu illit-smektyt w glebach wytworzonych z gliny zwałowej w RZD-Gliszcz. Zcsz. Probl. Post. Nauk Roi. 414: FITZPATRICK R.W., TAYLOR R.M., SCHWERTMANN U.. CHILDS C.W. 1985: Occurrence and properties of lepidocm cilc in some soils of New Zealand. South Africa and Australia. Ausl../. Soil Res. 23: JACKSON M.L. 1960: Soil Chemical Analysis - advanced course. Madison, Wisconsin. LAVES D., JAHN G. 1972: Zur quantitativen roentgenographischen Bodenton-Mineralanalyse. Arcii. Acker. Pflanzenbau und Bodenkunde 16: LINDNER L., DIERŻEK J., LAMPARSKI Z., MARKS L., NITYCHORUK J. 1995: Zarys stratygrafii czwartorzędu Polski, główne poziomy osadów glacjalnych i interglacjalnych oraz ich rozprzestrzenienie. Prz.cg, Geol. 43, 7: MOJSKI J.E., RZECHOWSKI J. 1967: Niektóre wyniki badań pctrograficzno-litologicznych nad utworami czwartorzędowymi Polski wschodniej i środkowej. Zcsz. Nauk. U AM Geogr. Poznań. 1 REYNOLDS R.C. 1980: Interstratified clay minerals: Crystal structures of clay minerals and their X-ray identification. London: ROSENQVIST I.Th. 1975: Origin and mineralogy of glacial and interracial clays of southern Norway. Clays and Clay Minerals 23: STANKOW SKA A. 1979: Stratygraficzne i regionalne /.różnicowanie glin morenowych na terenie Polski w świetle badań minerałów ilastych. U AM. Po/nań. ŚRODOŃ J. 1984: X-ray identification of randomly interstratified illite-smcctite in mixture with discrete illitc. Clay Miner. 16:

10 180 H. D ąbkow ska-n askręt i in. H. DĄBKOWSKA-NASKRĘT, J. DŁUGOSZ, M. KOBIERSKI STUDY OF MINERALOGICAL COMPOSITION OF CLAY FRACTION FROM SELECTED BROWN SOILS OF WIELKOPOLSKA LOW LAND D epartm ent o f S oil S cien ce, U niversity o f T ech n o lo g y and A griculture in B y d g o szcz SUM M ARY The objective of the study was clay fraction (<0.002 mm) isolated from each genetic horizon of three typical brown soils selected from Wielkopolska Lowland. Soils were formed from glacial till of wisła glaciation (I profile) and warta glaciation (2 profiles). On the base of X-ray diffraction analysis it was stated that illite is dominant clay mineral in the investigated soils. Chlorite-types minerals were in the range 12-15% and smectite in the range 9-14%. Significant amounts of interstratified minerals (illite-smectite and chlorite-smectite) were detected. The content of kaolinite was in the range 4-8%. In some horizons, where gleic process occurred, lepidocrocite was present. Prof. d r liab. H alina D ąbkow ska-n askręt К a ted ra G I ebo zna\ vst\ va A kadem ia Techniczno-R olnicza w B ydgoszczy B ydgoszcz, ul. Bernardyńska 6