在冻融土壤的化学反应和过程

基本相同的化学反应发生在土壤中冻融和解冻冷冻状态作为材料。这些反应是解决方案,水化、替换、氧化还原、离子交换等,但在寒冷的地区,他们有一些特定的功能。例如,解决方案是那么激烈,因为较低的温度下一些盐溶解速度慢得多。显然,由于低温多年冻土地区产品含有大量的化学溶解物质和水分子间的相互作用,也就是说,水合物和结晶水合物。阳离子交换反应,也许,冻土的占主导地位的重要性,因为不冻的水是一个非常集中的解决方案,积极的离子与矿物表面的离子进行交互。而且典型的流程在冻土凝溶胶和胶体化合物的形成。这些过程是预先确定的,在地上水的相变特征(冷冻或解冻)导致土壤和脱水,因此,凝固(凝结在达到阈值)有机无机化合物。的地球化学过程发生在寒冷地区也有不同的特定特征的地球化学过程,扮演特定角色。例如,自由水影响季节性冻土集中只在温暖期。重要的作用因此属于绑定(解冻)与水,并在动态平衡,冰和土壤。

地下水通常有更高的二氧化碳含量,因为秋天温度气体的溶解度(包括COa)和有机质含量迅速增加。例如,在土壤的苔原博尔塞纳群岛免费H2C03内容达到200 mgP1和离子HCO3”是650毫克1 ~ 1。因此,氢离子的浓度在冻土地区地下水增加几百次,导致,也许,一个酸反应介质。许多化学反应的本质和土壤组件的行为很大程度上取决于介质的pH值。酸介质更积极和化学活性;它分解硅酸盐,水解反应是比在中性和碱性介质。

冻土的地球化学过程也受到单原子氢的内容(减少)和氧(氧化)。假设阶段转换的水成冰氢的释放可能达到相当大的价值。例如,当1立方米的水变成冰,120年gmol-1单原子氢的释放。由于冻土地区的土壤非常潮湿,氧气无法轻易攻破。因此在北方,氧气表面,显示了自由氧的分布在地壳深度,达到表面的沼泽。作为一个结果冻结的材料在冻土地区主要是减少介质,因此有较高含量的二价铁价的形成mono-oxide化合物(菱铁矿、黄铁矿、蓝铁矿等)。氧化亚铁在土壤颜色蓝灰色阴影,他们通常称为潜育土。他们主要是细粒度的,减少和酸。

有机物的分解的过程也不同。因为较低的生物和生化反应,植物和动物传染的转换为有机物质是放缓,和分解(腐殖质的形成)终止处于不成熟阶段。由于这一过程,浅色富啡酸形成而不是胡敏酸(分解)的最后阶段的产物。在苔原土壤富里酸的含量可达到70%,而腐殖质土壤只包含10 - 15 %腐殖质物质。富里酸和胡敏酸一样,high-molecular-mass化合物组成的一组相似,但是他们有更少的碳和氮和氧和氢比胡敏酸。富里酸破坏矿物的高酸度;他们均匀饱和土壤和质量形成一个致密层。更多的粘性和更少的移动土壤胡敏酸产生块状,疯狂的典型结构,例如,黑钙土的。

化学过程在一个冰冻的土壤

开始冻结,水变成冰,创建一个新矿物。重力、毛细管和松散non-saline水结晶在负温度接近0°C。电影通常水冻结在一个广泛的负温度,确定解冻曲线的含水量。盐水域,与30多个gl_1矿化结晶温度约为-1.5 - 2°C而卤水可能保持液体- 20°C和低。的水的冰点通常会导致不同的盐固体和液体之间的分化阶段。盐溶解在水中的一部分是冰,封闭的可溶性盐沉淀越少的一部分,和容易的一部分可溶盐挤进低水层从而增加他们的矿化。的冰的形成通过冻结矿化几次低于初始孔隙的解决方案。缓慢而渐进的冷冻生产最纯净的冰。冻结期间,按照程度的溶解度在负温度下,最不溶性盐CaC03沉淀第一(温度范围-1.5 - 3.5°C),然后Na2S04 CaS04,等等。(这样的温度在- 7 - 15°C),这些盐形成所谓的晶体水合物。因此,低温层富含石膏CaS04.2H20,芒硝Na2S04.10H20,方解石CaC03;换句话说,他们是sulphatized和carbonatized。

低于零度边界,水是高度矿化由于容易可溶性盐开除了冻层(氯化物的钙、镁、钠和钠碳酸氢盐)。由于这种低温浓度,而高矿化subpermafrost水(200 gl ~ 1和更多)形成(有时也发生interper-mafrost水)和给cryopegs。这些水域保持液体在负温度。层的厚度与cryopegs基地下面的冻土可能达到数百米。

此外,冻土也包含气体水合物的形式,所谓的天然气水合物的晶体点阵建立的水分子。hydrate-forming气体分子在晶格分布在蛀牙。水本身的晶格(没有气体分子)是热力学不稳定,不能独立存在。在自然条件下晶体点阵的结构通常是充满了分子的甲烷,乙烷,硫化氢和二氧化碳。当气体渗透到水里格,变得僵硬,水就变成了固体。表面上的天然气水合物很像冰。未受损的天然气水合物晶体透明、均匀。出现在他们的微裂隙和不同的气体夹杂物显示开始分解(图3.1)。的热量生成天然气水合物的相变kJg-1大约是0.5。在气候变暖的影响和交互与水,天然气水合物分解的嘶嘶的声音和密集散发出气泡。 Negative and low positive temperatures in the permafrost regions are favourable for the formation of hydrate deposits at浅深。

图3.1。人造的Structural-textural特性凝聚的“ice-methane水合物”:(a)天然气水合物的一般视图薄片;(b)与纯冰联系hydrate-bearing冰。1 -完全分解结块很少带巩膜和气体的微气泡;2区主要分解结块和大量气泡;3 -略分解结块和典型的巩膜区;4 - 5 -冰(4 -纯洁,5 - hydrate-bearing式微通道)。

图3.1。人造的Structural-textural特性凝聚的“ice-methane水合物”:(a)天然气水合物的一般视图薄片;(b)与纯冰联系hydrate-bearing冰。1 -完全分解结块很少带巩膜和气体的微气泡;2区主要分解结块和大量气泡;3 -略分解结块和典型的巩膜区;4 - 5 -冰(4 -纯洁,5 - hydrate-bearing式微通道)。

冻土的化学过程

因为在冻结状态(常年或季节性),土壤中的水相是不可见的,很长一段时间人们认为土壤是在缺乏完整的化学活动的状态。这歪曲低估解冻水的作用,将自动导致燕不霍夫定律的应用,即温度下降10°C化学反应的速度减少一半。的谬论,这已被许多研究人员发现了相当大的阳离子交换反应之间土壤矿物质和束缚水和显示更大的物质的浓度在电影相比,在孔隙水。虽然没有自由水在冻土似乎排除的逃避从解冻的水化学成分,质量输运过程足够强烈,因为扩散的离子在水中解冻,导致调整溶解物质的浓度。在冻土,流的过程也活跃在解冻水电影诱导对流运输用迁移水离子和可溶性物质。在这个过程中,相变孔隙冰和电影之间的水解冻发生按照离子浓度的增加或减少。结果有一个平整的盐的浓度在水中解冻不断发生降低到初始水平。

化学过程在反复冻融土壤的化学过程发展中在重复(循环)详细研究了冻融。不像永久冻土,季节性融化土壤中的化学反应更强烈,显然是周期性的。土壤矿物质和水之间的相互作用(包括免费和绑定)是一个脉动过程,和水变成冰的相变,反之亦然应该导致显著强化化学风化作用在季节性冻土。这些结论证实了数据获取的“冷”或“低温”的土壤和风化壳在严重的气候,这表明地球化学反应的过程是定性与温暖raybet雷竞技最新潮湿的地区。此外,一场激烈的化学转换季节性冻土在第一阶段开始风化水解的影响下,浸出、氧化、水合作用,胶体和迁移,neogenetic粘土和其他矿物形成。硕士Glazovskaya在南极洲的研究表明,在10 - 15厘米的表层土壤,如果足够的氧气供应,发生氧化和MnO Fe203积累,着色的铁和锰的抽取,在岩石碎片ochre-rusty或橙红色色调。较低的层,哪里有本事的表现产品和碳酸盐化,更多的移动风化作用的产品积累,如碳酸钙和钙,盐酸不冒泡。研究表面风化壳在显微镜下建立了原始矿物分解阶段。在初始阶段,绿泥石消失,然后角闪石和黑云母,即带状和层状硅酸盐首先瓦解。长石组成成为覆盖着黄棕细粉总量,即次生粘土矿物。

上面给出的结果是在协议与数据冷苔原和针叶林土壤,土壤non-gley低温(棕钙土、灰壤Al-Fe腐殖质)主导和不排水潜育土是少数。non-gley土壤中的化学元素安排的旁白Targul 'yan根据迁移能力如下:如果>铁> Ti >。硅酸盐的形式,出现由于水解,相当移动在酸性介质和土壤剖面撤离。铁、钛和铝在酸性介质溶解度较低,通常保持在土壤中氧化物(Fe203, TiOz A1203)和氢氧化物(Al (OH) 3、铁(OH) O)。的过程中腐殖化在冻土地区富啡酸作为一个最激进的出现和移动形式的腐殖质。这酸向下的动作与土壤溶液和破坏了氢氧化物和硅酸盐分钟收费员形成不同种类的有机无机化合物(草酸、螯合物fulvates和吸附有机无机化合物)。

Fulvates和草酸,随着越来越多的移动化合物,从土壤剖面中删除,而螯合物和吸附有机无机化合物很快失去流动性和留在淀积的地平线。在这个过程的褐色Al-Fe-humus粗粉质粘土的视野出现。同时,真正的腐殖质视野,视野Al-Fe-humus和钛的化合物可以形成。钛的化合物、铝、铁(Ti-Al-Fe)和腐殖质积累这些冲积视野,这一过程,称为由Targul 'yan tialferrisation,是典型的低温土壤的形成。淋溶地平线A2,自然,是铁和A1氢氧化物和氧化物的枯竭;因此相对系数高(不是绝对)内容是观察以及更高的色素分解和去除阴影的深色化合物和矿物质。

不同的化学和物理化学过程土壤潜育(排水不良或沼泽)典型的欧洲北部的前苏联的一部分,西伯利亚的沿海低地。细粒度(尘埃)主要在这些土壤减少条件和酸的反应介质。潜育土的概要文件通常不会显示明显的淀积的视野但在潜育和gley-podzol土壤,在重sandy-silty-clay,例如,Fe203的内容和A1203同时降低相对硅浓缩。流动性越高的铁的还原条件下过渡到一氧化形式Fe (OH) 2不沉淀从溶液pH值,直到达到5 - 6。铁的蓝灰色一氧化颜色潜育土的形象与典型的灰色和蓝灰色的色调。这种现象也是由富里酸的存在是不成熟的形式的腐殖质和不布朗(胡敏酸),但浅灰色,从而使潜育土的颜色没那么强烈的non-gley土壤。

化学风化差异化的产品,这是与化学元素的流动密切相关,在冻土地区地球化学过程尤为重要,特别是与循环冻融土壤。越来越多的移动化学元素集中被地下和地表径流;其他元素一样,恰恰相反,几乎是不动的和积累在集水区和斜坡上增加他们的相对浓度。例如,钾、钙、镁、硫酸盐和氯离子在冻土地区非常移动和迁移所有水域中一个真正的溶解状态。硅酸盐的硅迁移形式主要是mono和前人酸,由地下水中删除解决方案。一定数量的硅的酸(40%)可以作为凝胶、胶体结合运输有机物。冻土地区Non-silicate系数几乎是不动的,是说明了密集的灰壤土壤的形成。硅的低流动性是归因于系数极低溶解度的高度酸性介质的典型苔原和针叶林土壤。70 - 90%的铝迁移冻土地区作为胶体和复杂化合物胡敏酸。铁(铁+和Fe3 +)低流动性在冻土地区之外。 In cold humid conditions, 90-98% of the total iron content migrates as highly mobile colloids which are high-molecular organic-mineral complex compounds of the chelate type. Under the northern conditions some other microcomponents (Ti, Zn, Cu, Ni, etc.) also become more mobile and are transported not as simple ions but as colloids or as complex ions with a larger radius, which are formed with participation of high-molecular-mass organic matter.

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