GENEZA I WŁAŚCIWOŚCI GLEB WYTWORZONYCH Z SERPENTYNITÓW DOLNEGO ŚLĄSKA CZĘSC IV. CHARAKTERYSTYKA FRAKCJI KOLOIDALNEJ

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XXXIII, NR 1/2, WARSZAWA 1982 JERZY WEBER GENEZA I WŁAŚCIWOŚCI GLEB WYTWORZONYCH Z SERPENTYNITÓW DOLNEGO ŚLĄSKA CZĘSC IV. CHARAKTERYSTYKA FRAKCJI KOLOIDALNEJ Zakład Gleboznawstwa Instytutu Chemii Rolniczej, Gleboznawstwa i Mikrobiologii AR we Wrocławiu Serpentynitowa skała macierzysta stanowi pod wieloma względami bardzo specyficzny utwór [11]. Z powodu wysokiej zawartości magnezu, jak również stosunkowo małych ilości krzemu i glinu w tych składach, procesy wietrzenia przebiegają w nich inaczej niż w innych składach zbudowanych z glinokrzemianów. W literaturze spotyka się dość dużo prac dotyczących minerałów wtórnych wytworzonych z serpentynitów w różnych warunkach klimatycznych. Butler [2] stwierdził występowanie chlorytu, illitu, kaolinitu, montmorylonitu i talku, Castro [3] wymienia wermikulit i chloryt, Kanno [5] mieszane minerały typu chloryt-al wermikulit, Venia le [10] saponit, a Wildman [12] stwierdził występowanie bogatego w Fe montmorylonitu. Nagatsuka [8] charakteryzując gleby serpentynitowe Japonii podaje następującą sekwencję wietrzeniową antygorytu: antygoryt pęczniejący minerał 14 À -> chlory t- -montmorylonit chloryt. Również w Polsce prowadzone były mineralogiczne badania nad produktami rozkładu omawianych skał. W Szklarach, w strefie wietrzeniowej serpentynitów, Ostrowicki [9] stwierdził występowanie endellitu oraz bogatych w Ni montmorylonitu i wernikulitu, które jednak nie powstały w procesie glebotwórczym. Mając to na uwadze, głównym celem niniejszej pracy było określenie składu mineralnego frakcji koloidalnej gleb serpentynitowych Dolnego Śląska oraz określenie ewentualnego zróżnicowania wtórnych m i nerałów ilastych na tle typologii badanych gleb. OBIEKTY I METODYKA BADAŃ Badaniami objęto próbki frakcji koloidalnej wydzielone z materiału glebowego pochodzącego z 14 profilów gleb wytworzonych z serpenty

74 J. Weber nitów Dolnego Śląska. Są to gleby brunatne właściwe i wyługowane, a niektóre z nich są obięte procesami pseudoglejowymi [11]. Frakcję koloidalną wydzielono metodą Gorbunowa [4], w modyfikacji stosowanej w AR w Krakowie [1]. Próbki poddano analizie rentgenostrukturalnej przy użyciu dyfraktometru rentgenostrukturalnego DRON 2 oraz analizie derywatograficznej, stosując aparat produkcji węgierskiej systemu F. Paulik, J. Paulik, L. Erdey, przy prędkości ogrzewania 10 C na minutę. Ponadto dla części próbek wykonano całkowite analizy chemiczne w stopach z Na2C0 3 [11]. WYNIKI BADAŃ ANALIZA RENTGENOSTRUKTRURALNA W dyfraktcgramach rentgenostrukturalnych wszystkich analizowanych próbek (rys. 1 6) dominują refleksy antygorytu (3,61-3,65A oraz 7,23-7,29 Â) i kwarcu (3,34 À oraz 4,25 À). Wśród minerałów wtórnych występują minerały z grupy chlorytów, na obecność których wskazują refleksy zbliżone do 14 Â, nie ulegające zmianom po nasyceniu gliceryną ani po prażeniu w 550 C. Refleksy typowe dla chlorytów nie występują jedynie w niektórych glebach brunatnych wyługowanych (profile 10 i 11) oraz w poziomach brunatnienia niektórych gleb brunatnych właściwych (profile 14, 6 i 7). Wśród pozostałych minerałów występują: wermikulity, interstratyfikowane minerały typu montmorylonit-wermikulit, montmorylonit, illit oraz talk. Wermikulit występuje zarówno w glebach brunatnych właściwych (profile 6, 7, 12 oraz poziom A1 w profilu 14), jak w glebach brunatnych wyługowanych odgórnie oglejonych (profil 5, poziom (B)gCg w profilu 8). Szczególnie wyraźnie zaznacza się obecność tego minerału w poziomie A1 w profilu 5, w którym refleksy 14 A przemieszczają się do 10 À po prażeniu w 550 C lub po nasyceniu potasem. W profilu tym wermikulit wykazuje słabą zdolność pęcznienia (refleks 14 À po nasyceniu gliceryną przemieszcza się do 15a Â), co wskazuje na możliwość istnienia niewielkiej ilości pakietów o strukturze mieszanej wermikulito wo-montmorylonito we j. Minerały interstratyfikowane typu werm ikulit-m ontm orylonit odznaczają się występowaniem refleksów 14 Ä przemieszczających się do 16 Â po nasyceniu gliceryną, a po prażeniu w 550 C do 10 À. Podobnie jak wermikulit minerały te występują zarówno w niektórych glebach brunatnych wyługowanych (profile 10, 11 oraz poziom A 1 w profilu 8), jak też w niektórych glebach brunatnych właściwych (poziomy brunatnienia w profilach 14, 6 i 7). Montmorylonit, któremu odpowiadają refleksy 14 À przemieszcza-

Charakter frakcji koloidalnej gleib serpentynitowych 75 Rys. 1. Rentgenogramy frakcji koloidalnej gleby brunatnej właściwej leśnej. Próbki orientowane a p ró b k i n a sy c o n e M g, b p ró b k i n a s y c o n e M g i g lic e ry n ą, с p róbk i n a s y c o n e К i p ra żo n e do 550 C, d p r ó b k i n a s y c o n e К Oriented X-ray diffracto grams of colloidal fraction of forest proper brown soil a «M g -sa tu ra ted sa m p le s, b M g -sa tu r a ted an d g ly c e r o l so lv a te d sa m p les, с K -s a tu - rated sa m p le s, ca lc in a te d to 550 Ç, d К -sa tu r a te d sam^ p ies Rys. 2. Rentgenogramy frakcji koloidalnej gleb bru natnych właściwych darniowych. Próbki orientowane objaśnienia jak na rys. 1 Oriented X -ray diffractograms of colloidal fraction of grassland proper brown soils e x p la n a tio n as in F ig. 1

76 J. Weber Rys. 3. Rentgenogramy frakcji koloidalnej gleb brunatnych właściwych ornych Próbki orientowane ob jaśn ien ia jak na rys. 1 Oriented X-ray diffractograms of colloidal fraction of arable proper brown soils e x p la n a tio n as in Fig. 1 jące się do 18 Â po nasyceniu gliceryną oraz do 10 Â po prażeniu w 550UC, występuje w mniejszej ilości. Obecność jego zaznacza się zarówno w poziomach (B)g w glebach brunatnych właściwych (profil 15) i w y ługowanych (profil 8), jak w poziomach akumulacyjnych niektórych gleb (profil 14, 9 i 1) oraz w poziomach brunatnienia (profil 11). W niektórych glebach brunatnych właściwych występuje illit dający charakterystyczny refleks 10 Â, odporny na działanie gliceryny oraz porażenie (profile 13, 6 i 15). W profilu 9 szczególnie wyraźnie zaznacza się obecność talku (refleksy 9,34, 4,70, ЗД2 Â), który w mniejszej ilości występuje również w profilach 14, 12 oraz 2. Należy wzrócić uwagę, że w składzie mineralnym skały macierzystej z profilu 9 dominuje talk [11]. A N A LIZA DERYW ATOGRAFICZNA Derywatogramy badanych frakcji koloidalnych (rys. 7) oznaczają się podobnymi efektami termicznymi. W badanych próbkach występują efekty endotermiczne 625-725 C oraz egzotermiczne w zakresie temperatur 800-825 C, które związane są z reakcjami termicznymi minerałów serpentynowych [11]. Langier- -Kuźniarowa [7] podaje, iż temperatura początku i maksimum reakcji endotermicznej zależy od uziarnienia próbki, tnz. ze zmniejszeniem frakcji obniża się temperatura tych zjawisk. Ponieważ badania rentgenostrukturalne wykazały w badanych próbkach obecność antygorytu,

Charakter frakcji koloidalnej gleb serpentynitowych 77 Rys. 4. Rentgênogramy frakcji koloidalnej gleb b ru natnych wyługowanych leśnych. Próbki orientowane o b ja śn ien ia ja k n a rys. 1 Oriented X-ray diffractograms of colloidal fraction of forest leached brown soils e x p la n a tio n as in F ig. 1 Rys. 5. Rentgenogramy frakcji koloidalnej gleby brunatnej właściwej odgórnie oglejonej darniowej. Próbki orientowane o b ja śn ien ie ja k nà rys. 1 Oriented X-ray diffractograms of colloidal fraction of grassland proper brown soil with psudogley process e x p la n a tio n as in F ig. 1 można przypuszczać, że efekt endotermiczny (mimo że zachodzi w niższej temperaturze) powodowany jest utratą wody krystalicznej przez antygoryt, natomiast efekt egzotermiczny pojawia się w rezultacie krystalizacji oliwinu z fazy bezwodnej, powstałej po pierwszej reakcji. Występują ponadto rozległe niskotemperaturowe efekty endotermiczne w zakresie temperatur 105-140 C. Efekt ten jest powodowany utratą wody międzywarstwowej i zaadsorbowanej na powierzchni przez minerały ilaste należące do grupy warmikulitu, montmorylonitu i illitu. Następny efekt endotermiczny w zakresie temperatur 515-550 C

78 J. Weber Rys. 6. Rentgenogramy frakcji koloidalnej gleb brunatnych wyługowanych odgórnie oglejonych. Próbki orientowane ob jaśn ien ia jak na rys. 1 Oriented X^ary diffractogram s of colloidal fraction of arable proper brown soils with pseudogley process e x p la n a tio n as in F ig. 1 jest bardzo slaby i odpowiada utracie krystalicznych grup OH przez fyllokrzemiany należące do grupy chlorytów, montmorylonitu i illitu, podobnie jak występujący w niektórych próbkach słaby efekt endotermiczny 600-650 C. Efekty egzotermiczne 840 C, występujące w poziomach A r profilów 13 i 14, mogą być powodowane obecnością chlorytów, natomiast rozległe efekty endotermiczne 905 C w profilach 9 i 14 mogą wskazywać na obecność talku. Poziom A x z profilów 9 i 10 wyróżnia się znaczą zawartością węgla

Charakter frakcji koloidalnej gleb serpentynitowych 79 Rys. 7 Krzywe termiczne frakcji koloidalnej badanych gleb DTA thermograms of colloidal fraction of soils investigated organicznego [13] i z tego powodu, mimo wielokrotnego traktowania perhydrolem, pozostała we frakcji koloidalnej część substancji organicznej, która spowodowała występowanie silnych efektów egzotermicznych w zakresie temperatur 460-485 C oraz efekty endotermiczne przy 125 i 215-230 C.

Hr p r o f ilu P ro file Eo. 10 11 S kład cheiaiczny n ie k tó ry c h prób о к f r a k c j i k o lo id a ln e j Chem ical c o o p o e itio n o f sona sam ples o f c o llo id a l f r a c tio n r. 1 I 6 I 8 II- "... I 5 Poziom genotyczny Horizon A1 /В / A1 /В / A1 /в/g /Б /g S tr a ty ż arze n ia Ig n itio n lo ss 20,91 12.26 11,92 10,30 8,60 8,52 8,97 T a b 9 1 a 1 S i0 2 39, >5 50,43 4 8,7 3 52,02 58,36 57,80 56,16 A1203 14,00 9,11 10,71 10,73 14,48 14,68 12,79?«203 6,24 10,72 13,12 11,68 7,04 7,20 5,1 2 BnO 0,0 7 С,09 0,2 7 0,0 9 0,0 7 0,0 7 0,0 5 CfiO 8,41 1,96 1,05 1,54 1,74 0,8 4 1,26 MgO 7,96 12,15 10,84 10,43 4,81 6,9 3 13,20 K2 0,92 1.36 1,42 1,84 1,94 1,84 1t14 P2 5 C,2 3 0,870 0,276 0,188 0,260 0,400 0,440 0,228 0,17 0,2 3 0,29 0,2 3 0,20 0,23 0,29 K10 0,14 0,40 0,38 0,4 3 0,08 0,10 0,14 CoO 0,010 0,006 0,019 0,0 1 4 0,005 0,007 0,007 L 99,130 98,994 98,937 99,564 97,775 98,857 99,355 00 О J. Weber SiO ^A l^ 4,75 9,40 7,72 8,2 3 6,84 6,57 7,45 SiOg/ïegO^ 16,79 12,51 9,88 11,84 22,072 21,38 29,21 SiOjj/MgO 3*32 2,78 3,02 3,35 8,1 4 5,60 2,85 7e20yAl203 0,23 0,7 5 0,7 8 0,69 0,31 0,31 0,26 Mgo/n2o3 1.43 3,38 2,56 2,46 0,8 4 1,18 2,61

Charakter frakcji koloidalnej gleb serpentynitowych 81 Efekty endotermiczne 805 C w poziomie A1 w profilu 9 oraz 705 i 845 C w poziomie A 1 w profilu 5 mogą być powodowane obecnością minerału z grupy chlorytów. SK Ł A D CHEM ICZNY Ze względu na ograniczoną ilość frakcji koloidalnej analizy składu chemicznego wykonano tylko dla niektórych próbek, wydzielonych w większej ilości (tab. 1). Skład chemiczny frakcji koloidalnej odznacza się w stosunku do skały macierzystej [11] znacznym ubytkiem MgO oraz wzrostem S i0 3 i A120 2. W porównaniu z częściami ziemistymi [11]) na ogół daje się zauważyć ubytek S i0 2 oraz wzrost A120 3, Fe20 3 i MgO. Wśród występujących składników chemicznych zwraca uwagę duża zawartość NiO i CoO, których udział we frakcji koloidalnej jest z reguły większy niż w częściach ziemistych, lecz mniejszy niż w skale macierzystej. Zawartość Cr2Oa we frakcji koloidalnej jest mniejsza niż w częściach ziemistych, jak też w skale macierzystej. Większy udział magnezu we frakcji koloidalnej w stosunku do części ziem istych może być powodowany dużą zawartością minerałów serpentynowych w tej frakcji. Większy udział Mg może wskazywać również na powstawanie trioktaedrycznych glinokrzemianów warstwowych, duży jednak wzrost A120 3 przemawia raczej za powstawaniem fyllokrzemianów dioktaedrycznych. Większa zawartość S i0 2 w częściach ziemistych powodowana jest zapewne domieszką obcego materiału bogatego w kwarc [11]. Zmiany poszczególnych składników mają swoje odzwierciedlenie w zmienności stosunków molarnych. Duży udział A120 3 we frakcji koloidalnej powoduje występowanie znacznie niższego stosunku S i0 2/Al20 3 oraz M g0/a l20 3 w porównaniu z częściami ziemistymi. Może to wskazywać na zastępowanie magnezu przez glin w strukturach m ineralnych powstałych w wyniku wietrzenia serpentynitów. PODSUMOWANIE I DYSKUSJA WYNIKÓW Badania frakcji koloidalnej gleb wytworzonych z serpentynitów Dolnego Śląska wykazały, iż składa się ona z dużej ilości antygorytu i kwarcu, który jest składnikiem allogenicznym. W ystępuje tu znany z literatury [6] proces dziedziczenia nie zmienionej substancji ilastej (w tym przypadku antygorytu) ze skały macierzystej. W niektórych profilach (szczególnie profil 9) wśród minerałów ilastych występuje również odziedziczony ze skały macierzystej talk. Wśród minerałów wtórnych występują chloryty, wermikulit, montmorylonit oraz w mniejszej ilości illit. Ponadto występują niezbyt często spotykane m inerały interstratyfikowane typu wermikulit-montmorylonit. 6 R o czn ik i G leb o z n a w cze 1 2/82

82 J. Weber Pomimo dużego podobieństwa strukturalnego minerałów serpentynowych z minerałami z grupy kaolinitu, wśród produktów wietrzenia nie występują kandyty. Wprawdzie Ostro wiek i [9] wymienia endellit, utworzony w wyniku wietrzenia serpentynitu, jednak minerały opisane przez tego autora nie tworzyły się w warunkach glebowych i z tego powodu mogą różnić się od produktów wietrzenia występujących w glebach serpentynitowych. Znaczy wzrost zawartości A120 3 we frakcji koloidalnej zarówno w stosunku do skały serpentynitowej, jak w stosunku do części ziemistych sugeruje powstawanie fyllokrzemianów dioktaedrycznych. Ponieważ w i dać również wzrost MgO w stosunku do części ziemistych, istnieje możliwość występowania obok dioktaedrycznych również trioktaedrycznych glinokrzemianów warstwowych. Występowanie dużej ilości wolnych form [11] przy równoczesnym dominowaniu antygorytu we frakcji koloidalnej może świadczyć o występowaniu form bezpostaciowych, tzw. alofanów. Tworzące się minerały wtórne wykazują, podobnie do minerałów określonych przez Ostrowickiego [9], pewne skoncentrowanie niklu oraz w mniejszym stopniu kobaltu. Na podstawie przeprowadzonych badań trudno określić zróżnicowanie składu mineralnego frakcji koloidalnej na tle typologii gleb serpentynitowych. Analizując występowanie minerałów w poszczególnych poziomach genetycznych można zauważyć jednak pewną tendencję do tworzenia m i nerałów interstratyfikowanych typu werm ikulit-m onthorylonit w poziomach brunatnienia oraz wermikulitu w poziomach akumulacyjnych. Na podstawie uzyskanych wyników można wysunąć następujące wnioski. 1. Frakcja koloidalna gleb wytworzonych z serpentynitów Dolnego Śląska składa się głównie z antygorytu odziedziczonego ze skały macierzystej oraz kwarcu, który jest składnikiem allogenicznym. Do minerałów interstratyfikowanych typu wermikulit-montmorylonit w poziowane typu wermikulit-montmorylonit oraz montmorylonit. Ponadto w mniejszej ilości występują: illit, talk i alofany. 2. Na tle typologii gleb serpentynitowych nie stwierdzono wyraźnego zróżnicowania minerałów ilastych. Zaznacza się jednak tendencja do tworzenia minerałów interstratyfikowanych typu wermikulit-montmorylonit w poziomach brunatnienia, gdy tymczasem wermikulit częściej występuje w poziomach akumulacyjnych. LITERATURA [1] Bogda A., Chodak T., Cieśla W., Kępka M., Komornicki T., Langier-Kuźniarowa A., Uziak S., Wo с ławek T.: Wpływ metod wydzielania frakcji koloidalnej i przygotowania próbek na wyniki analiz

Charakter frakcji koloidalnej gleib seanpeaitymitowych termicznych i rentgenograficznych. PTG, Komisja Mineralogii Gleb, Zespół Minerałów Ilastych, W arszawa 1973. [2] Butler I. R.: The geochemistry and mineralogy of rock weathering The Lizard Area, Cornwall. Geochimica at Cosmochimica Acta 4, 1953, 157-178. [3] Castro Hoyos A.: The genesis of soil on basic rock. Trans. 7th Int. Cong. Soil Sei. Madison Wise. USA, 4, 1960, 413-417. [4] Gorbunow N. I.: Wisokodispersnyje minierały i mietody ich izuczenija. Izdatielstwo A. N. SSSR, Moskwa 1963. [5] Kanno I., Onikura Y., To ku do me S.: Genesis and characteristics of brown forest soils derived from serpentine in Kyushu, Japan. P art 3. Clay mineralogy characteristics. Soil Sei. Plant Nutr. 14, 1965, 6, 1-10. [6] Komornicki T., Adamczyk В., Jakubiec J., Kubisz J., Oleksynowa K., Tokaj J.: Minerały ilaste gleb wytworzonych ze skał górnotriasowych w Tatrach. Rocz. glebozn. 15, 1965, 1, 3-18. [7] Langier-Kuźniarowa A.: Termogramy minerałów ilastych. Warszawa 1976. [8] NagatsukaS.: Genesis of a soil derived from serpentine in Mikkabi-Cho, Shizouka Prefecture. P art 2. J. Sei. Sail Manure, Tokyo, 38, 1967, 187-192. [9] Ostrowicki B.: Minerals of the haloisite group from Szklary. Bull. Acad. Pol. Sei. Serie Geol. Geogr. 13, 1965, 23-34. [10] Veniale F., Van der Mar el H. W.: An interstratified saponite-swelling chlorite mineral as a weathering product of lizardite rock from St. M argherita Staffora (Pavia Province), Italy. Beitr. Mineral. Petrog. 9, 1963, 198-245. [11] Weber J.: Geneza i właściwości gleb wytworzonych z serpentynitów Dolnego Śląska. Część I. Charakterystyka skały macierzystej. Rocz. glebozn. 31, 1980, 1. Część II. Właściwości mikromorfologiczne. Rocz. glebozn. 31, 1980, 1. Część III. Właściwości fizykochemiczne. Rocz. glebozn. 32, 1981, 2. [12] Wild man W. E., Jackson M. L., Whittig L. D.: Iron-rich montmorillonite formation in soils derived from serpentine. Proc. Soil Sei. Soc. Am. 32, 1968, 6, 787-794. E. В Е Б Е Р ГЕНЕЗИС И СВОЙСТВА ПОЧВ ОБРАЗОВАННЫХ ИЗ СЕРПЕНТИНИТОВ НИЖНЕЙ СИЛЕЗИИ. ЧАСТЬ 4-я: ХАРАКТЕРИСТИКА КОЛЛОУДНОЙ ФРАКЦИИ Институт агрохимии, почвоведения и микробиологии, Сельскохозяйственная академия во Вроцлаве. Резюме В труде приводятся результаты анализов: рентгеноструктурных, дериватот; графических и химических коллоидной фракции почв образованных из серпентинитов Нижней Силезии. Исследованная фракция сложена из большого количества антигорита, унаследованного от материнской йороды, а также из аллогенного кварца. Из вторичных минералов находятся здесь хлораты, вермикулит, интерстратифицированные минералы типа вермикулит монтмориллонит монтмориллонит и в меньшем количестве иллит, тальк и аллофан. Несмотря на высокое

84 J. Weber структурное сходство серпентиповых минералов с минералами из группы к а олинита, среди продуктов выветривания нет кандитов. Химический состав коллоидной фракции не отклоняется заметно от химического состава илистых частиц, отмечается однако рост содержания А120 3 и MgO, что внушает возможность образования филлосиликатов диоктаэдрических и триоктаэдрических. Выступающие минералы отличаются повышенной концентрацией Ni и в меньшей степени Со. На фоне типологии серпентинитовых почв не обнаружено ясно выраженной дифференциации глинистых минералов. Проявляется однако тенденция к ф ормированию интерстратифицированных минералов типа вермикулит монтмориллонит в горизонтах (В), тогда как вермикулит чаще выступает в горизонтах А х. J. WEBER GENESIS AND PROPERTIES OF SOILS DERIVED FROM SERPENTINITES IN LOWER SILESIA PART IV. CHARACTERISTICS OF COLLOIDAL FRACTION Department of Agricultural Chemistry, Soil Science and Microbiology, Agricultural University of Wrocław Summary Results of X-ray-diffraction, diffraction therm al and chemical analyses of colloidal fraction of soils devoloped from Lower Silesia serpentinites are presented in the paper. The fraction under study consisted of a great amount of antigorite, inherted from the parent rock, and of allogenic quartz. Among secondary minerals, chlorites, vermiculite, interstratified minerals of the vermiculite-montmorillonite type, montmorillonite and in less amounts illite, talc and alophanes occur. Despite a close structural similarity of serpentinite minerals of the kaolinite group, no candides occur among the weathering products. The chemical composition of colloidal fraction does not deviate considerably from that of earth particles, nevertheless a growth of the A120 8 and MgO content can be observed, what would suggest the possibility of development of both dioctaedric phyllosilicates and tricctaedric phyllosilicates. The occurring minerals prove a subconcentration of Ni and to a less degree of Co. In the typology of serpentinite soils on distinct differentiation of clay minerals wasn t found. However, a tendency to development of interstratified minerals of the vermicullite-montmorillonite type in (B) horizons was observed, whereas vermiculite occured more often in A 1 horizons. Dr Jerzy W eber Instytu t Chemii Rolniczej, G leboznawstwa i Mikrobiologii AR W rocław, ul. G runwaldzka 53