Pedogenic Formation of Montmorillonite from a 2: 1-2:2 Intergrade Clay Mineral

Abstract

Montmorillonite was found to be the dominant clay mineral in surface horizons of certain soils of the North Carolina Coastal Plain whereas a 2:1–2:2 intergrade clay mineral was dominant in subjacent horizons. In all soils where this clay mineral sequence was found, the surface horizon was low in pH (below 4·5) and high in organic matter content. In contrast, data from studies of other soils of this region (Weed and Nelson, 1962) show that: (1) montmorillonite occurs infrequently; (2) maximum accumulation of the 2:1–2:2 intergrade normally occurs in the surface horizon and decreases with depth in the profile; (3) organic matter contents are low; and (4) pH values are only moderately acid (pH 5–6).

It is theorized that the montmorillonite in the surface horizon of the soils studied originated by pedogenic weathering of the 2:1–2:2 intergrade clay mineral. The combined effects of low pH (below 4·5) and high organic matter content in surface horizons are believed to be the agents responsible for this mineral transformation. The protonation and solubilization (reverse of hydrolysis) of Al-polymers in the interlayer of expansible clay minerals will occur at or below pH 4·5 depending on the charge and steric effects of the interlayer. A low pH alone may cause this solubilization and thus mineral transformation, but in the soils studied the organic matter is believed to facilitate and accelerage the transformation. The intermediates of organic matter decomposition provide an acid environment, a source of protons, and a source of watersoluble mobile organic substances (principally fulvic acids) which have the ability to complex the solubilized aluminum and move it down the profile. This continuous removal of solubilized aluminum would provide for a favorable gradient for aluminum solubilization.

The drainage class or position in a catena is believed to be less important than the chemical factors in formation of montmorillonite from 2:1–2:2 intergrade, because montmorillonite is present in all drainage classes if the surface horizon is low in pH and high in organic matter.

Résumé

Le montmorillonite s’est révélé le minéral d’argile dominant dans les horizons superficiels de certains sols dans la Plaine Côtière de la Nouvelle Caroline, tandis qu’un minéral d’argile interstratifié 2:1–2:2 dominait dans les horizons sousjacents. Dans tous les sols où on trouvait cette séquence de minéral d’argile, l’horizon superficiel avait un pH bas (inféfieur à 4,5) et une teneur élevée en matière organique. Par contraste, les données obtenues dans les études d’autres sols de cette région (Weed et Nelson, 1962) montrent que: (1) le montmorillonite est rare; (2) l’accumulation maximum de l’interstratifié 2:1–2:2 a généralement lieu dans l’horizon superficiel et décroît avec la profondeur dans le profil; (3) la teneur en matière organique est basse, et (4) le pH n’est pas fortement acidique (pH 5–6).

On présente la théorie que le montmorillonite dans l’horizon superficiel du sol a son origine dans le vieillissement pédogénique du minéral d’argile interstratifié 2:1–2:2. Les effets combinés de bas pH (inférieur à 4,5) et de la teneur élevée en matière organique dans les horizons de surface sont censés être responsables de cette transformation minéralogique. La protonation et solubilisation (inverse de l’hydrolyse) des polymères Al dans la couche intermédiaire des minéraux d’argile expansibles ont lieu à un pH égal ou inférieur à 4,5 selon la charge et les effets stériques de la couche intermédiaire. Un bas pH peut à lui seul provoquer cette solubilisation et de là la transformation minéralogique, mais dans le cas des sols étudiés, on considère que la matière organique facilite et accélère la transformation. Les produits intermédiaires de la décomposition de la matière organique fournissent un milieu acide, une source de protons et une source de substances organiques mobiles et solubles dans l’eau (surtout les acides fulviques) qui ont la capacité de rendre complexe l’aluminium solubilisé et de le déplacer vers le bas du profil. Cet enlèvement continu de l’aluminium solubilisé tend a fournir une pente qui favorise la solubilisation de l’aluminium.

La catégorie d’assèchement et la position dans la chaîne semblent être moins importantes que les facteurs chimiques en ce qui concerne la formation de montmorillonite à partir d’un intergrade 2:1–2:2, parce que le montmorillonite est présent dans toutes les catégories d’assèchement si l’horizon de surface a un pH bas et une teneur élevée en matière organique.

Kurzreferat

Montmorillonit wurde als vorherrschendes Tonmineral in den Oberflächenhorizonten gewisser Böden der Küstenebene von North Carolina gefunden, während in den darunter liegenden Horizonten ein 2:1–2:2 Üergangstonmineral vorherrschte. In allen Böden, wo diese Tonmineralfolge festgestellt wurde, war das pH niedrig (weniger als 4,5) und der Gehalt an organischen Bestandteilen hoch. Im Gengensatz dazu erweisen die Ergebnisse der Untersuchungen anderer Böden dieser Gegend (Weed und Nelson, 1962) folgendes: (1) Montmorillonit tritt nur spärlich auf; (2) eine maximale Anhäufung des 2:1–2:2 Übergangsminerals tritt normalerweise im Oberfläehenhorizont auf und nimmt mit der Tiefe des Profiles ab; (3) die Gehalte an organischen Bestandteilen sind niedrig; und (4) die pH Werte sind nur schwach sauer (pH 5–6).

Es wird die Theorie aufgestellt, dass der Montmorillonit im Oberflächenhorizont der untersuchten Böden durch paedogene Verwitterung des 2:1–2:2 Übergangstonminerals entstanden sein könnte. Dabei wird angenommen, dass die vereinigten Wirkungen des niedrigen pH (weniger als 4,5) und des hohen Gehaltes an organischen Bestandteilen des Oberflächenhorizontes für diese Mineralumwandlung verantwortlich sind. Die Protonisierung und Löslichmachung (Gegenteil von Hydrolyse) von Al-Polymeren in der Zwischenschicht quellbarer Tonminerale findet je nach der Ladung und der sterischen Effekte der Zwischenschicht bei pH 4,5 oder weniger statt. Ein niedriger pH Wert allein kann diese Löslichmachung und die sich daraus ergebende Mineralumwandlung verursachen, doch darf angenommen werden, dass in den untersuchten Böden die organischen Bestandteile die Umwandlung erleichtern und beschleunigen. Die Zwischenprodukte der Zersetzung organischer Bestandteile schaffen eine saure Umgebung, eine Protonenquelle und eine Quelle wasserlöslicher, beweglicher organischer Stoffe (vornehmlich Fulvinsäuren), die dazu fähig sind, das lösliche Aluminium in Komplöform zu bringen und es dem Profil entlang abwärts zu fördern. Diese dauernde Entfernung des löslich gemachten Aluminiums würde ein günstiges Verhältnis für die fortschreitende Löslichmachung des Aluminiums herbeiführen.

Die Entwässerungsklasse oder -lage in einer Reihe wird als weniger wichtig angesehen, als die chemischen Faktoren in der Bildung von Montmorillonit aus 2:1–2:2 Üergangsmineral, da sich Montmorillonit in allen Entwässerungsklassen findet, wenn der Oberflächenhorizont ein niedriges pH und einen hohen Gehalt an organischen Bestandteilen aufweist.

Резюме

В прибрежной равнине Северной Каролины обнаружили, что преобладающим глинистым минералом является монтмориллонит в поверхностных горизонтах некоторых почв, а глинистый минерал промежуточного сорта 2:1–2:2 в подстилающих горизонтах. Во всех почвенных слоях, где была обнаружена эта последовательность глинистых минералов, поверхностный горизонт имел низкое рН (менее 4,5) и крупное содержание органических веществ. В противоположность этому, данные полученные из исследований других почв в этомже районе (Види Нелсон 1962) показывают: (1) что монтмориллонит встречается редко; (2) что максимальное накопление промежуточного слоя 2:1–2:2 обычно имеется в поверхностном горизонте и сокращается по мере увеличения глубины в профиле; (3) что содержание органических веществ не большое и (4) что значения рН являются только умеренно кислыми (рН 5–6).

Утверждают, что монтмориллонит в поверхностном горизонте исследуемых почв возник вследствие почвообразовательного выветривания гдинистого минерала промежуточного сорта 2:1–2:2. Сочетание воздействия низкого рН (менее 4,5) и крупного содержания органических веществ в поверхностных горизонтах считают средствами, вызвавшими это минеральное преобразование. Протонодонорность и придание растворимости (противоположность гидролиза) полимерам А1 в промежуточном слое вспучивающихся глинистых минералов происходит при рН 4,5 или менее, в зависимости от заряда и от пространственных эффектов промежуточного слоя. Это придание растворимости и, следовательно, и минеральное преобразование, может быть вызвано только низким рН, но предполагают, что в исследованных почвах органические вещества облегчают и ускоряют такое преобразование. Промежуточные разложения органических веществ предоставляют кислые окружающие породы, источник протонов, а также источник растворимых в воде мобильных органических веществ, которые обладают способностью комплексообразования растворимого в воде алюминия и передвижения его вниз по профилю. Такое непрерывное удаление растворимого в воде алюминия предоставит благоприятный градиент для растворения алюминия.

Считают, что для образования монтмориллонита из промежуточного слоя 2:1–2:2, класс дренажа или местоположение в цепи имеют меньшее значение, чем химические факторы, так как монтмориллонит присутствует во всех дренажных классах, если поверхностный горизонт имеет низкий рН и крупное содержание органических веществ.