Постоянное присутствие заметных количеств кремнезема в грунтовых и почвенных водах и его участие в процессах гидрогенной аккумуляции в почвах с образованием опалов, кварца, натеков, гидрогенных глин и хардпена было рассмотрено автором в 1940, 1946—1953, 1967 гг. для почв аридных областей, а затем и для почв гумидных областей.
Следует отметить, что накопление кремнезема в почвах пустынь специально было отмечено Е. В. Гильгардом. Он на большом числе валовых анализов показал, что почвы аридных районов значительно богаче кремнеземом, чем почвы влажных областей. Примеров, подтверждающих это обобщение, немало. Скопления опаловидного кремнезема и халцедон-кварца были обнаружены Б. Б. Полыновым (1952) в ортштейновых горизонтах песчаных почв древних террас Дона, но этому никто не придал значения. Не придали должного значения и описанному Л. И. Прасоловым явлению образования кремнево-опаловых корочек в почвах Забайкалья. Все были загипнотизированы общепризнанным положением о геохимической инертности кварца. Ему приписывалась роль «свидетеля» элювиальных процессов и неизменное остаточное накопление в продуктах элювиального почвообразования.
В 1940 г. автор опубликовал статью «К вопросу о движении и накоплении кремнезема в засоленных почвах». Речь в этой статье шла об активной миграции кремния в почвенной оболочке, его постоянном присутствии в наземных водных растворах и почвенно-грунтовых водах, его способности накапливаться в почвах, подобно воднорастворимым солям, в гидроморфных условиях и особенно при испарительном водном режиме почв. Было высказано предположение, что теоретически следует ожидать образования «опаловых равнин» в центральных частях пустынных низменностей.
С тех пор автор многократно возвращался к этой проблеме. Постепенно им и его учениками было показано, что вторичные соединения кремнезема обладают весьма широким ареалом миграции и аккумуляции. Вторичный кварц, опал, аморфный кремнезем, богатые кремнеземом глинистые минералы являются практически «космополитами», присутствуя в транзитных и аккумулятивных формах коры выветривания и особенно в почвах гидроморфного и палеогидроморфного типа в разных климатических зонах.
В условиях жаркого и сухого климата интенсивность гидрогенной аккумуляции вторичных соединений кремния выражена несравненно сильнее. Гидроморфное почвообразование, проходящее под влиянием грунтовых вод (с содержанием SiO2 от 20 до 500 мг/л) при малой дренированности и слабой их отточности (глубины 1—3 м), сопровождается в условиях жаркого сухого климата испарением и транспирацией весьма больших количеств почвенной влаги, до 500—1000 мм/год.
Постоянный пленочно-капиллярный восходящий ток почвенных растворов, их транспирация и физическое испарение вызывают увеличение концентрации и частичное или полное выпадение в осадок растворенных соединений кремнезема.
В щелочных теплых водах концентрация SiO2 может быть очень большой (до 300—500 мг/л), в нейтральных пресных водах она будет меньшей (20—30 мг/л), но все же часто превышающей содержание других растворенных компонентов. Это и дало нам право еще в 1946 г. выделить класс маломинерализованных (0,5—1 г/л) силикатно-гидрокарбонатных (кремнеземистых) вод, обычно также обогащенных растворенным гумусом.
Максимальные концентрации SiO2 в теплых и горячих подземных водах достигают 500—1000 мг/л. Есть указания на то, что в крепких рассолах концентрация SiO2 составляет даже 3 г/л. Вследствие этой особеннрсти соединения SiO2 являются весьма активными мигрантами в гипергенной и почвенной оболочках. Геохимическими спутниками растворенного кремнезема, при этом могут быть карбонаты и бикарбонаты, сульфаты, хлориды, фульваты щелочных металлов, частично щелочноземельных металлов и даже фульваты тяжелых металлов Fe, Mn, и алюминия. Транспирация и полное испарение влаги с растворенными кремнеземом и его спутниками в гидроморфных почвах будут приводить к обогащению грунтов и почв кремнеземом и его спутниками в зависимости от концентрации вод, их химического состава, типа водного режима и баланса (т. е. условий климата и гидрогеологии).
Содержательный обзор проблемы миграции и аккумуляции соединений кремния дал в 1971 г. С. Стефенс, который исследовал кремниевые формации Австралии (силкрит). Рассмотрев публикации западной литературы после 1954 г., Стефенс пришел к выводам, совпадающим с выводами наших публикаций 1940—1946 гг. Выветривание, особенно тропическое, поставляет большие количества ионно — и коллоидно-растворенных соединений кремния в природные воды. Присутствие SiO2 в природных водах разных химизма и реакции с различной величиной окислительно-восстановительного потенциала способствуют широкой миграции кремнезема. Испарение, транспирация, взаимодействие с солями кальция, магния, с полуторными окислами способствуют выпадению в осадок и накоплению в почвах вторичных минералов кремния (опала, халцедона, кристобалита, кварца, глинистых минералов). Этот механизм привел, по Стефенсу, к образованию обширных пространств Центральной Австралии с покровом силкрита, опала, вторичного кварца. Пустыни, степи, саванны Африки и Южной Америки также весьма благоприятны для возможного неосинтеза и накопления вторичных соединений кремнезема.
Окремнение стволов и других растительных остатков, кремниевые конкреции, кристаллы вторичного кварца в трещинах пород были описаны автором в пустынях Египта. Особенно показательны в этом плане депрессии Великого Африканского рифта. Эта область характерна распространением древних и новейших вулканических и поствулканических отложений. Вулканизм, лавовые потоки, пеплопады, термальные воды, тектонические поднятия и опускания, плювиальные периоды значительного обводнения местности (не менее четырех) и последующие периоды аридизации (саванизация, опустынивание) неоднократно сменялись здесь в конце третичного и в четвертичном времени.
Практически полная геохимическая бессточность Африканского рифта в этой части континента, его древность и большая интенсивность процессов выветривания, миграции и дифференциации подвижных продуктов геохимии и почвообразования обусловили распространение здесь таких загадочных явлений в геохимии почв, как образование и накопление соды, миграция и аккумуляция соединений кремния, формирование кремниевых солончаков и силкрита. Тропическое выветривание свежих магматических пород, лав и пеплов в Африке является постоянным поставщиком в водные растворы (наземные, почвенные, подземные) карбонатов щелочей и подвижного кремнезема. Миграция их в общем виде направлена от возвышенностей (Килиманджаро, около 3700 м над ур. моря), высоких плато (1500—2000 м над ур. моря), вулканов к впадинам, депрессиям, озерам, расположенным в глубинах обширного ложа рифта (200—800 м над ур. моря). К этому добавлялось влияние поствулканических, термальных вод (часто горячих), содержащих повышенные концентрации карбонатов щелочей и соединений кремния, которые разгружаются с растворами в депрессиях, долинах, озерах.
Наличие содовых озер в Восточной Африке, содовых солончаков в низменностях Кении (pH до 10—12), остаточной солонцеватости в черных и бурых почвах древних аккумулятивных террас приводит к окремнению и монтмориллонитизации наносов, окремнению гидроморфных почв и образованию кор вторичного кварца и опала. Наиболее глубокие депрессии рифта (200—500 м над ур. моря) заняты солеными содовыми озерами. Таковы озера Натрон и Магази, где добывается сода. Озера усыхают, площадь их сокращается. Влажные берега покрыты налетами солей и белыми корками кварца, аморфного кремнезема толщиной 0—1,0—1,5 см. При осмотре дна высохшего залива (в 5 км южнее г. Магази) было обнаружено следующее строение почв.
- 0—1—1,5 см. Очень плотная, сверкающая сверху белая корка, легко отделяющаяся от лежащего глубже горизонта.
- 1,5—3—4 см. Мягкая, рыхлая, влажная, мажущаяся серовато-белесая масса.
Корка была очень прочной, ее не царапало даже стальное лезвие. При лабораторном анализе водного экстракта из указанных образцов были обнаружены высокая щелочность (pH 9,7—10,0), присутствие колоссального количества соды (0,6—2,9 и 0,29—1,47% CO3 и 0,69—4,28—5,6% HCO3). Рентгенодифрактометрические исследования корки, выполненные А. И. Трубиным, обнаружили, что ее основным компонентом является α-кварц с примесью аморфных форм кремнезема.
Подкорковый мягкий мажущийся горизонт оказался неравномерного пленочно-гнездового строения. Белые пленки и белая мажущаяся рыхлая масса сложены из монтмориллонита, арагонита, водного силиката кальция (гиролит), аморфного кремнезема, солей (NaCl). Более темные пятна (гнезда) состояли из α-кварца, аморфного кремнезема и гиролита.
Данные ИК-спектроскопии, полученные В. В. Пиуновой, показали, что в плотных корках этого солончака присутствуют следующие формы кремнезема: α-кварц, α-кристобаллит, α-тридимит и кварцевое стекло. При этом α-кристобаллит имеет, по данным ИК-спектроскопии, черты сходства с агатом. В вытяжке 5%-ной KOH обнаружены, кроме того, 25,6% аморфного кремнезема (SiO2) в мягкой части корки и 7,8% в твердой блестящей части корки.
Пойменная кремниево-солончаковая терраса озера окаймлена древней террасой высотой до 2—3 м. Террасы и поверхности останцов имеют очень плотную кремневую толщу кавернозно-ячеистого строения, местами белесую и розово-бурую. Глыбы этой породы очень плотного сложения лежали у подножия террасы, на берегу озера. Полевые и рентгенодифрактометрические исследования показали, что минерал, слагающий породу и глыбы, в основном также представляет собой α-кварц с примесью аморфного кремнезема. Соли из этого материала были отмыты, и величина pH уменьшилась до 7,1.
Описанная толща кварцево-кремниевой породы может быть определена как силкрит австралийского типа.
Дана фотография образцов силкритной солончаковой коры, собранной автором в районе оз. Магази совместно с Б. Г. Розановым. Поразительна интенсивность современного гидрогенного (почвенного) накопления соединений кремнезема из грунтовых вод и очень быстрое образование кварца, скоплений монтмориллонита и гиролита. Ожидаемый нами опал не был обнаружен. Вероятно, при таких концентрациях растворов, когда идет садка троны и галита, и при температурах экваториальных пустынь стадия опала либо очень быстротечна, либо отсутствует. Напомним, что нами был обнаружен вторичный кварц, образовавшийся из растворов, которые циркулируют в трещинах изверженных пород в пустынях Египта — район Каира (Ковда, Родэ, 1967).
Описанная форма гидрогенного новообразования и аккумуляции вторичного кварца, аморфного кремнезема, монтмориллонита и силикатов кальция не является единственной в Кении. В гигантской плоской депрессии, окруженной горами и возвышенностями вулканического характера (Килиманджаро, Киюлу), расположена обширная лугово-солончаковая, местами заболоченная равнина — Амбосели. Равнина подпитывается мощным потоком грунтовых вод со стороны гор Килиманджаро. На отдельных массивах грунтовые воды переувлажняют почвы. Выклиниваясь, они заболачивают местность и создают озера. Сильное испарение и транспирация грунтовых вод вызвали значительное вторичное минералообразование на всей территории равнины. Почвообразующие породы и почвы подверглись интенсивному окремнению и карбонатизации.
Широкое распространение аккумуляций гидрогенного кремнезема, образование кремневых конкреций, кор, прослоев, окремнение древесины, костей животных автор наблюдал в пустынях Аравии, в засушливых областях Чили, Аргентины, Бразилии. Немецкие ученые описали обогащенные кремнеземом и «кремневым ортштейном» почвы в Северо-Восточной Бразилии.
Сходные явления наблюдались французскими исследователями в саваннах и пустынях Аравии и в Сахаре. Здесь в почвах можно встретить кремнеземистые цементированные горизонты и прослои (включающие окремневшие древесные и костные остатки). В пустынях Африки опаловидный кремнезем и вторичный кварц сочетаются с осадками извести, гипса, полуторных окислов. Как отмечалось неоднократно в литературе, кремнезем в виде опала часто присутствует в гидрогенных известковых конкрециях, которые образовались под влиянием испарения и транспирации грунтовых вод в древних и новейших осадках и почвах Мадагаскара, террас и дельт р. Нигер, низменности оз. Чад.
Таким образом, явление интенсивной миграции и аккумуляции соединений кремния в почвах аридных зон следует считать бесспорным и его необходимо учитывать как в теоретическом, так и в прикладном планах. Однако наши предположения об универсальности геохимической миграции кремния и аккумуляции его соединений, о новообразовании вторичного кварца в почвах влажных зон суши также получают все больше подтверждений в новых исследованиях.