Кремнезем постоянно поступает в почвенные растворы и грунтовые воды в результате гидролиза раздробленных алюмосиликатов и растворения кварца, халцедона, опала, а также минерализации растительных остатков.
Нефелин, диопсид, авгит в измельченном состоянии могут отдавать в водный раствор 15—20 мг/л кремнезема; биотит, микроклин, лабрадорит — до 5—7,5 мг/л. Даже кварц при высокой степени измельченности и нисходящих токах растворяется в количестве 3,5—4,0 мг/л SiO2 (Keller, 1957). Полевые шпаты и ряд сложных силикатов, таких, как турмалин, циркон, гранат, являются очень стойкими против выветривания минералами с крайне низкой растворимостью. Но и они отдают в раствор небольшие количества кремнезема. Энергичный вынос кремнезема при выветривании, сопровождаемый значительным отстаиванием выноса соединений алюминия, железа, титана, установлен даже для условий тундры и тайги (Иванова, Полынцева, 1936; Гаргульян, 1967).
Очень интенсивны десиликация пород и образование растворов кремнезема, карбонатов щелочей и щелочных земель при выветривании свежих вулканических пеплов, шлаков, лав, базальтов, гранитов. Эти процессы весьма выражены в почвах Армении, Камчатки, Японии, Филиппин, Индонезии, Чили и Перу. В условиях Камчатки ежегодный химический (в растворах и водах рек) вынос Si составляет 3—13 т/км2, Ca и Mg 9—15 т/км2, Na и K 3—4 т/км2, a HCO3— до 37 т/км2 (Соколов, 1967). Общепризнано, что наиболее глубокая и полная десиликация почв и коры выветривания характерна для влажных тропиков.
Различные минералы кремния абсолютно преобладают над другими минералами, поэтому присутствие кремнезема в водах, циркулирующих в горных породах, грунтах и почвах, является универсальным биогеохимическим явлением, одинаково характерным для всех природных зон и особенно для районов изверженных маловыветрелых пород. В водах аридных или семиаридных областей кремнезем занимает подчиненное положение среди других растворенных соединений. Однако в разбавленных водах гумидных областей различных термических поясов вследствие низкой концентрации хлоридов, сульфатов и карбонатов в составе растворенных соединений почти всегда преобладает кремнезем (иногда на первом месте органические вещества, а кремнезем на втором).
В разбавленных природных водах с минерализацией 20—100 мг/л в качестве главного компонента содержится кремнезем, который составляет 25—60% от суммы растворенных веществ. Это дало основание автору еще в 1946 г. ввести в классификацию природных вод группу силикатных и силикатно-карбонатных вод. Позже это положение было принято в гидрогеологии и геохимии ландшафтов и получило общее признание.
Итак, в числе продуктов почвообразования и выветривания, как в осадках, так и в водных растворах, всегда имеется некоторое количество соединений кремния, обладающих достаточно заметной растворимостью и миграционной способностью. Предполагается, что это ионные и молекулярные растворы соединений ортокремниевой (H4SiO4) и метакремниевой (H2SiO3) кислот, кремнийорганические соединения типа полимеров, коллоидные растворы гидроокиси кремния и тонкие суспензии аморфных гелей типа nSiO2 · mH2O. Исследования в природе и лабораторные эксперименты показывают, что комплекс этих соединений кремнезема постоянно присутствует в почвенных растворах, в речных, грунтовых и озерных водах в концентрациях 10—50 мг/л SiO2, а иногда и 100—200 мг/л.
Миграция кремнезема в почвенных и поверхностных водах, по данным И. И. Плюсниной (1980) и В. Е. Приходько (1979), происходит главным образом в мономерной-, димерной, полимерной и кремнийорганической формах. Полимерные формы растворенной кремнекислоты имеют высокий молекулярный вес, более 1000 и даже до 70000. Преобладают, однако, моно-димерные формы, чем и объясняется интенсивная миграция и устойчивость в растворах соединений кремния в природе.
Исследования Н. Л. Яцынина (1976) убедительно показали, что высокополимерные соединения, извлеченные водными экстрактами из солонцов Казахстана, содержат 44% кремния, 27% алюминия, 13% железа, а также некоторые другие макроэлементы и органическое вещество. Эти вещества являются полиэлектролитами, устойчивыми мигрантами, выпадающими в осадок под влиянием солей кальция, магния, натрия. Несомненно, такие полимеры появляются в почвах при орошении их щелочными водами и способствуют развитию признаков слитизации, вязкости, гидрофильности, резко ухудшая физические свойства почв, особенно черноземов.
Растворимость и подвижность кремнезема резко возрастают с увеличением pH среды, особенно в щелочном интервале. В щелочных растворах (pH 10—11) в присутствии соды концентрация SiO2 может достигать 100—200 мг/л. Повышение температуры также весьма сильно увеличивает растворимость аморфного кремнезема. Это объясняет, почему термальные воды, выходящие на поверхность, богаты растворенным кремнеземом (до 500—1000 мг/л SiO2). Растворимость гелей кремнезема повышается под влиянием NaCl, Na2SO3 и особенно NaHCO3 и Na2CO3. Есть указания, что в поровых растворах, содержащих соду, концентрация кремнезема может повышаться до 452 мг/л (Богомолов и др., 1967). Сульфаты, бикарбонаты и карбонаты магния и кальция резко снижают растворимость кремнезема и вызывают осаждение силикатов щелочных земель или образование осадка кремнезема. Однако в условиях высокой кислотности (pH 2—3) растворимость кремнезема также повышена (Плюснина, 1980).
В присутствии угольной кислоты, хлористых и сернокислых солей происходит интенсивный гидролиз измельченного базальта, гранита, нефелина с переводом в растворы значительных количеств SiO2 (до 20—100 мг/л). Испарение, транспирация или замерзание растворов, содержащих кремнезем, вызывают выпадение его в осадок в форме гелей, аморфной «присыпки», корочек или плотной коры. Образование гелей кремнезема описывалось многими исследователями. Так, Е. В. Гильгард сообщал, что в долине Миссисипи им наблюдался слой кремнистого геля мощностью 4—5 м. Были указания на нахождение гелей кремнезема при работах в Симплонском туннеле, на Кап-Годе, в барах Австралии (Termier Н., Termier G., 1952).
В содовых солончаках и в солонцовых почвах идет мобилизация соединений подвижного кремнезема щелочными растворами, их перемещение в профиле с явлениями сильно выраженной слитости и цементации почвенных горизонтов.
Кремнезем, поступивший в раствор при выветривании, осаждается также биологическим путем. Диатомовые водоросли, радиолярии, растения, особенно злаки (бамбук), усваивают подвижный кремнезем, полимеризуют его в опал и переводят в осадок. Однако есть много свидетельств о том, что деполимеризация опалов до коллоидных и истинных растворов — явление, столь же широко распространенное в природе (Erhart, 1956).