Введення
Людство знайоме з калієм більше півтора століття. У лекції, прочитаної в Лондоні 20 листопада 1807, Хемфрі Деві повідомив, що при електролізі їдкого калі він отримав «маленькі кульки з сильним металевим блиском ... Деякі з них зараз же після свого утворення згорали з вибухом». Це і був калій.
Калій - чудовий метал. Чудовий він не тільки тому, що ріжеться ножем, плаває у воді, спалахує на неї з вибухом і горить, забарвлюючи полум'я у фіолетовий колір. І не тільки тому, що цей елемент - один з найактивніших хімічно. Все це можна вважати природним, тому що відповідає положенню лужного металу калію в таблиці Менделєєва. Калій чудовий своєю незамінністю для всього живого і примітний як всебічно «непарний» метал.
Зверніть увагу: його атомний номер 19, атомна маса 39, в зовнішньому електронному шарі - один електрон, валентність 1 +. Як вважають хіміки, саме цим пояснюється виняткова рухливість калію в природі. Він входить до складу декількох сотень мінералів. Він знаходиться в грунті, в рослинах, в організмах людей і тварин. Він - як класичний Фігаро: тут - там - всюди.
1. Калій
(Kalium), К, хімічний елемент 1 групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 19, атомна маса 39,098; срібно-білий, дуже легкий, м'який і легкоплавкий метал. Елемент складається з двох стабільних ізотопів - 39 K (93,08%), 41 K (6,91%) і одного слабо радіоактивного 40 K (0,01%) з періодом напіврозпаду 1,32 × 10 9 років.
Деякі сполуки К. (наприклад, поташ, що добувався з деревної золи) були відомі вже в давнину, а проте їх не відрізняли від сполук натрію. Тільки в 18 ст. було показано відмінність між «рослинної лугом» (поташем K 2 CO 3) і «мінеральної лугом» (содою Na 2 CO 3). У 1807 Г. Деві електролізом злегка зволожених твердих їдких калі і натра (KOH і NaOH) виділив К. і натрій і назвав їх потассием і содіем. У 1809 Л.В. Гільберт запропонував назву «калій» (від араб. Аль-калі - поташ) і «натрона» (від араб. Натрун - природна сода); останнє І.Я. Берцеліус в 1811 змінив на «натрій». Назва «потассий» і «содій» збереглися у Великобританії, США, Франції і деяких інших країнах. У Росії ці назви в 1840-х рр.. були замінені на «калій» і «натрій», прийняті в Німеччині, Австрії та Скандинавських країнах.
2. Поширення в природі
Калій - поширений елемент: вміст у літосфері 2,50% по масі. У магматичних процесах К., як і натрій, накопичується в кислих магма, з яких кристалізуються граніти і ін породи (середній вміст К. 3,34%). К. входить до складу польових шпатів і слюд. В основних і ультраосновних породах, багатих залізом і магнієм, К. мало. На земній поверхні К., на відміну від натрію, мігрує слабо. При вивітрюванні гірських порід К. частково переходить у води, але звідти його швидко захоплюють організми і поглинають глини, тому води річок бідні К. і в океан його надходить багато менше, ніж натрію. В океані К. поглинається організмами і донними іламі (наприклад, входить до складу глауконіту); тому океанічні води містять лише 0,038% К. - в 25 разів менше, ніж натрію. У минулі геологічні епохи, особливо в пермському періоді (близько 200 млн. років назад) на пізніх стадіях випаровування морської води в лагунах, після осадження NaCl, кристалізувалися солі К. і магнію - карналіт KCI × MgCI 2 × 6H 2 O та ін ( Солікамську родовище в СРСР, Штасфуртское в НДР і т.д.; див. Калійні солі). У більшості грунтів розчинних сполук К. мало, і культурні рослини потребують калійних добривах.
Радіоактивний ізотоп 40 K - важливе джерело глибинного тепла, особливо в минулі епохи, коли цього ізотопу було більше. При розпаді 40 K чином 40 Ca і аргон 40 Ar, що йде в атмосферу. Деякі мінерали К. не втрачають аргону, і по його змісту можна визначити абсолютний вік гірських порід (т. зв. Калій-аргоновий метод).
Своєрідний геохімічний цикл калію - одного з. хімічних елементів, що складають 99,9% маси земної кори. Його кларк дорівнює 2,50%, а геохімічний цикл складається з різноманітних процесів, що протікають у земній корі, інтенсивного біологічного кругообігу і кілька обмеженою водної міграції з суші в океан. Кларк калію в кам'яних метеоритах 0,085%, в речовині верхньої мантії ще менше - 0,03%, в магматичних породах основного складу (базальтах) - 0,81%, в породах, багатих кремнієм (гранітах), - 3,34%. Таким чином, очевидна поступова концентрація цього елемента від речовини мантії до верхньої частини земної кори. Мабуть, калій разом з іншими лужними і лужноземельними елементами, алюмінієм і кремнієм виплавляється з речовини мантії і накопичувався в земній корі. Калій бере активну участь в магматичної процесі, його основна маса включається до тверда речовина на останніх стадіях кристалізації. Він входить до складу найпоширеніших глибинних силікатів. У зоні вивітрювання при перебудові кристаллохимических структур силікатів велика частина калію залишається в складі нових мінералів і лише частково переходить в розчинний стан.
К. - один із біогенних елементів, постійна складова частина рослин і тварин. Добова потреба в К. у дорослої людини (2-3 г.) Покривається за рахунок м'яса і рослинних продуктів; у грудних дітей потреба в К. (30 мг / кг) повністю покривається грудним молоком, в якому 60-70 мг% К. Багато морські організми витягають К. з води. Рослини отримують К. з грунту. У тварин вміст До складає в середньому 2,4 г / кг. На відміну від натрію, К. зосереджений головним чином в клітках, в позаклітинному середовищі його багато менше. У клітці К. розподілений нерівномірно.
Іони К. беруть участь в генерації та проведенні біоелектричних потенціалів в нервах і м'язах, в регуляції скорочень серця і ін м'язів, підтримують осмотичного тиск і гідратацію колоїдів в клітках, активують деякі ферменти. Метаболізм К. тісно пов'язаний з вуглеводним обміном; іони К. впливають на синтез білків. К + в більшості випадків не можна замінити на Na +. Клітини вибірково концентрують К +. Пригнічення гліколізу, дихання, фотосинтезу, порушення проникності зовнішньої клітинної мембрани приводять до виходу К + з клітин, часто в обмін на Na +. Виділяється К. з організму головним чином з сечею. Зміст К. в крові і тканинах хребетних регулюється гормонами наднирників - кортикостероїдами. У рослинах К. розподіляється нерівномірно: у вегетативних органах рослини його більше, ніж у коренях і насінні. Багато К. у бобових, буряках, картоплі, листі тютюну і кормових злакових травах (20-30 г. / Кг сухої речовини). При недоліку К. у грунтах сповільнюється зростання рослин, підвищується захворюваність. Норма калійних добрив залежить від типу с.-г. культури та грунту.
У біосфері мікроелементи Rb і Cs супроводять К. Іони Li + і Na + - антагоністи К +, тому важливі не тільки абсолютні концентрації К + і Na +, але і оптимальні співвідношення K + / Na + в клітинах і середовищі. Природна радіоактивність організмів (гамма-випромінювання) майже на 90% обумовлена присутністю в тканинах природного радіоізотопу 40 K.
У медицині з лікувальною метою застосовують ацетат CH 3 COOK як сечогінний (частіше проти набряків, викликаних серцевою недостатністю) і хлорид KCl у разі недостатності К. в організмі (розвивається при лікуванні деякими гормональними препаратами, наперстянкою, при великій втраті рідини з блювотою і проносом, при застосуванні деяких сечогінних засобів та ін.) Перхлорат KClO 4 гальмує продукцію тироксину (гормону щитовидної залози) і застосовується при тиреотоксикозі. Перманганат калію KMnO 4 (марганцевокислий калій) використовують як антисептичний засіб.
Полеві и е шп а ти, група найбільш поширених породоутворюючих мінералів, що становлять більше 50% земних і місячних гірських порід і входять до метеорити. Склад П. ш. визначається в основному співвідношенням компонентів в потрійній системі: NaAISi 3 O 8 - KAISi 3 O 8 - CaAl 2 Si 2 O 8, тобто це алюмосилікати Na, К, Са (з домішкою Ba, Sr, Pb, Fe, Li, Rb, Cs, Eu, Ce і ін.). Основою структури всіх П. ш. є тривимірний каркас, що складається з тетраедричних груп (Al, Si) O 4, в яких від однієї третини до половини атомів Si заміщено Al. У великих пустотах цього каркаса розташовуються одновалентні катіони К + і Na + (при відношенні Al: Si = 1:3) або двовалентні катіони Ca 2 + і Ba 2 + (при Al: Si = 1:2).
У групі П. ш. виділяються дві серії твердих розчинів: KAISi 3 O 8 - NaAISi 3 O 8 (калінатровие, або лужні, П. ш. та NaAISi 3 O 0 - CaAI 2 Si 2 O 8 - плагіоклазу). Рідко зустрічаються барієві П. ш. BaAI 2 Si 2 O 8 - цельзіан і тверді розчини KAISi 3 O 0 - BaAl 2 Si 2 O 8 - гіалофан (до 10-30% Ba).
Велике число різновидів П. ш. обумовлено складними співвідношеннями складу [головних компонентів і домішок], упорядкованості розподілу Al і Si по структурним положенням, розпаду твердих розчинів, субмікроскопіческом двійникування.
Серед істотно калієвих П. ш. розрізняють санідін, що має моноклинную симетрію, з неупорядкованим розподілом Si і Al, максимальний микроклин (триклініях) з повністю впорядкованим розподілом Si і Al, проміжні Мікроклін і ортоклаз (імовірно, псевдомоноклінний), що з субмикроскопически сдвойнікованних тріклінную доменів.
Високотемпературні калінатровие П. ш. є невпорядкованими і утворюють безперервну серію твердих розчинів; низькотемпературні зазнають розпад з утворенням пертітов - закономірних проростання Мікроклін або ортоклаза і натровий П. ш. - Альбіта. Всі різновиди плагіоклазу бувають високотемпературними (неупорядкованими щодо розподілу алюмінію і кремнію), низькотемпературними (впорядкованими) і посередником.
Зміни ступеня впорядкованості та складу плагіоклазу проявляються при збереженні триклинной симетрії в дуже складних зміни структури і в освіті двох областей надзвичайно тонкої несмесімості - в ряду олігоклаз ілабрадоров, що супроводжується ірізациі.
Точні визначення складу і структурного стану (впорядкованості) П. ш. проводяться за допомогою діаграм оптичної орієнтування, кутів оптичних осей та ін, вимірюваних на Федорова столику, а також рентгенографічними (дифрактометричних) методами.
Плагіоклазу і микроклин майже завжди полісинтетичні сдвойніковани, тобто утворюють мікроскопічні зрощення багатьох індивідів з різних характерним двійникових законам.
Таблітчатиє або призматичний вигляд П. ш. в гірських породах визначається добре розвиненими гранями {010} і {001}, за якими утворюється досконала розщеплення під прямим або близьким до нього кутом, і гранями {110}. Твердість П. ш. за мінералогічною шкалою 6-6,5; щільність 2500-2800 кг / м 3 П. ш. самі по собі безбарвні: різне забарвлення (сіру, рожеву, червону, зелену, чорну і ін) їм надають найдрібніші включення гематиту, гідроксиди заліза, рогової обманки, піроксену та ін; забарвлення амазоніта - синьо-зеленого або зеленого Мікроклін - пов'язують з електронним центром Pb, заміщує К. У спектрах люмінесценції П. ш. розрізняються смуги Pb 2 +, Fe 3 +, Ce 3 +, Eu 2 +. За спектрами електронного парамагнітного резонансу в П. ш. встановлюються електронні центри Ti 3 + і діркові центри Al-O --Al, які утворюються в результаті захоплення дефектами решітки відповідно електрона чи дірки.
П. ш. служать основою класифікації гірських порід. Найважливіші типи гірських порід складені в основному П. ш.: Інтрузивні - граніти, сієніти (лужні П. ш. І плагіоклазу), габро, діорити (плагіоклазу); ефузивні - андезити, базальти; метаморфічні - гнейси, кристалічні сланці, контактно-і регіонально-метаморфізовані породи, пегматити. У осадових породах П. ш. зустрічаються у вигляді уламкових зерен і новоутворень (аутігенние П. ш.). У місячних породах (місячні базальти, габро, анортозитами) зафіксовано всього плагіоклазу.
Значення П. ш. визначається тим, що завдяки широким варіацій складу і властивостей вони використовуються при геологопетрографіческіх дослідженнях масивів магматичних і метаморфічних порід. Співвідношення ізотопів 40 K / 40 Ar калінатрових П. ш. використовується для визначення абсолютного віку гірських порід.
Лужні П. ш. пегматитів і малозалізистого порід застосовуються в керамічній, скляній, фарфоро-фаянсової промисловості. Полешпатові породи (лабрадорити) служать облицювальним матеріалом. Амазоніт, місячний камінь (ірізірующій олігоклаз) використовуються як виробні камені.
Сл ю ди, група мінералів - алюмосилікатів шаруватої структури із загальною формулою R 1 R 2-3 [AISi 3 O 10] (OH, F) 2, де R 1 = К, Na; R 2 = Al, Mg, Fe, Li (див. Силікати природні). Основний елемент структури С. представлений тришаровим пакетом з двох тетраедричних шарів [AlSi 3 O 10] з перебувають між ними октаедричних шаром, що складається з катіонів R 2. Два з шести атомів кисню октаедрів заміщені гідроксильними групами (ОН) або фтором. Пакети зв'язуються в безперервну структуру через іони К + (або Na +) з координаційним числом 12. За кількістю октаедричних катіонів у хімічній формулі розрізняються діоктаедріческіе і тріоктаедріческіе С.: катіони Al + займають два з трьох октаедрів, залишаючи один порожнім, тоді як катіони Mg 2 +, Fe 2 + і Li + з Al + займають все октаедра. С. кристалізуються в моноклінної (псевдотрігональной) системою. Відносне розташування шестикутних осередків поверхонь тришарових пакетів обумовлено їх поворотами навколо осі з на різні кути, кратні 60 °, в поєднанні із зсувом уздовж осей а і в елементарної комірки. Це визначає існування поліморфних модифікацій (політіпії) С., що розрізняються рентгенографічно. Звичайні політипу моноклінної симетрії.
За хімічним складом виділяють наступні групи С. Алюмінієві С.:
мусковіт KAl 2 [AISi 3 O 10] (OH) 2,
Парагон NaAl 2 [CAISi 3 O 10] (OH) 2,
магнезіально - залізисті С.:
флогопіт KMg 3 [AISi 3 O 10 (OH. F) 2,
біотит K (Mg, Fe) 3 [AISi 3 O 10] (OH, F) 2,
лепідомелан Kfe 3 [AlSi 3 O 10] (OH, F) 2;
літієві:
лепідоліт Kli 2-x Al 1 + x [Al 2x Si 4-2x O 10] (OH. F) 2,
ціннвальдіт KLiFeAl [AISi 3 O 10] (OH, F) 2
тайніоліт KLiMg 2 [Si 4 O 10] (OH, F) 2.
Зустрічаються також ванадієва С. - роскоеліт KV 2 [AISi 3 O 10] (OH) 2, хромова С. - хромовий мусковіт, або фуксії, та ін У С. широко проявляються ізоморфні заміщення: К + заміщається Na +, Ca 2 + , Ba 2 +, Rb +, Cs + та ін; Mg 2 + і Fe 2 + октаедричні шару - Li +, Sc 2 +, Jn 2 + та ін; Al 3 + заміщається V 3 +, Cr 3 +, Ti 4 +, Ga 3 + та ін Спостерігаються досконалий ізоморфізм між Mg 2 + і Fe 2 + (безперервні тверді розчини флогопіт - біотит) і обмежений ізоморфізм між Mg 2 + - Li + та Al 3 +-Li +, а також змінна співвідношення окисного і закисного заліза. У тетраедричних шарах Si 4 + може заміщатися Al 3 +, а іони Fe 3 + можуть заміщати тетраедричних Al 3 +; гідроксильна група (OH) заміщається фтором. С. часто містять різні рідкісні елементи (Be, В, Sn, Nb, Ta, Ti, Mo, W, U, Th, Y, TR, Bi); часто ці елементи знаходяться у вигляді субмікроскопічних мінералів-домішок: колумбіту, вольфраміту, каситериту, турмаліну та ін При заміні К + на Ca 2 + утворюються мінерали групи т. н. крихких С. - маргарит CaAl 2 [Si 2 Al 2 O 10] (OH) 2 та ін, більш тверді і менш пружні, ніж власне С. При заміщенні межслоевой катіонів К + на H 2 O спостерігається перехід до гідрослюд, що є істотними компонентами глинистих мінералів. Наслідки шаруватої структури С. і слабкого зв'язку між пакетами: пластинчастий вигляд мінералів, досконала (базальна) спайність, здатність розщеплюватися на надзвичайно тонкі листочки, що зберігають гнучкість, пружність і міцність. Кристали С. можуть бути сдвойніковани по «слюдяної закону» з площиною зрощення (001); часто мають псевдогексагональние обриси. Твердість за мінералогічною шкалою 2,5-3; щільність 2770 кг / м 3 (мусковіт), 2200 кг / м 3 (флогопіт), 3300 кг / м 3 (біотит). Мусковіт і флогопіт безбарвні і в тонких пластинках прозорі; відтінки бурого, рожевого, зеленого кольорів обумовлені домішками Fe 2 +, Мп 2 +, Cr 2 + та ін Залізисті С. - бурі, коричневі, темно-зелені і чорні в залежності від вмісту і співвідношення Fe 2 + і Fe 3 +. С. - один з найбільш поширених породоутворюючих мінералів інтрузивних, метаморфічних і осадових гірських порід, а також важливе корисна копалина.
Розрізняють 3 види промислових С.: листова С.; дрібна С. і скрап (відходи від виробництва листової С.); спучується С. (наприклад, вермикуліт). Промислові родовища листової С. (мусковіт і флогопіт) високої якості рідкісні. Промислові вимоги до листової С. зводяться до досконалості кристалів і їх розмірів; до дрібної С. - чистота слюдяного матеріалу. Великі кристали мусковіту зустрічаються в гранітних пегматитах (Мамско-Чуйський район Іркутської області, Чупіна-Лоухскій район Карельської АРСР, Енско-Кольський район Мурманської обл. - В СРСР, родовища Індії, Бразилії, США). Родовища флогопіту приурочені до масивів ультраосновних і лужних порід (Ковдорское на Кольському півострові) або до глибоко метаморфізовані докембрійських порід первинно карбонатного (доломітового) складу (Алданский Слюдоносние район Якутській АССР, Слюдянскій район на Байкалі в СРСР), а також до гнейсам (Канада і Малаги Республіка). Мусковіт і флогопіт є високоякісним електроізоляційним матеріалом, незамінним в електро-, радіо-і авіатехніці. Родовища лепідолітом, одного з основних промислових мінералів літієвих руд, пов'язані з гранітними пегматитами натровий-літієвого типу. У скляної промисловості з лепідолітом виготовляють спеціальні оптичні скла.
С. розробляється підземним або відкритим способами із застосуванням буропідривних робіт. Кристали С. вибирають з гірської маси вручну.
Розроблено методи промислового синтезу С. Великі листи, одержувані шляхом склеювання пластин С. (міканіти), використовуються як високоякісний електро-і теплоізоляційний матеріал. З скрапу і дрібної С. отримують мелену С., споживану в будівельній, цементної, гумової промисловості, при виробництві фарб, пластмас і т.д. Особливо широко використовується дрібна С. в США.
3. Поведінка в різних геологічних процесах
У воді він перебуває у вигляді катіона К +. Калій відіграє важливу роль в житті рослин і тварин. Він бере участь у фотосинтезі, впливає на обмін вуглеводів, азоту і фосфору. Тому калій жадібно поглинається рослинами і активно втягується в біологічний кругообіг. Його кларк в живій речовині дуже високий і становить 0,3%, як у азоту. Важливо відзначити, що калій, так само як і фосфор, концентрується в плодах і насінні, в інтенсивно зростаючих органах рослин. При нестачі калію в грунті врожай сільськогосподарських культур різко знижується. Значна частина катіонів К + з природних вод захоплюється рослинами суші. Крім того, величезна кількість катіонів цього елемента поглинають (сорбують) глинисті мінерали. У результаті в басейни стоку надходить лише невелика частина цього елемента в порівнянні з його кількістю в глибинних гірських породах, що зазнали вивітрюванню. Жива речовина суші та продукти вивітрювання (глини) міцно утримують калій. Тому в щорічному біологічному круговороті на континентах беруть участь 1 206 млн. т калію, а у Світовому океані - всього 920 млн. т. Середній вміст калію в морській воді невелика - 0,038%. Доставляється річками калій дуже швидко витрачається. Частково він поглинається живими організмами, але значні маси елемента йдуть якимись поки невідомими шляхами. «Зникнення» калію з океану - ще одна загадка геохімії. За розрахунками А.П. Виноградова, у Світовому океані збереглося лише 2,6% від тієї кількості, яка була принесена річками.
Один з циклів своєї міграції калій починає з грунту. Він витягується з неї корінням рослин, накопичується в їх відмерлих залишках, переходить частково в організм тварини або людини і з перегноєм знову повертається в грунт, з якої його витягла жива клітина.
Велика частина калію проходить саме цей шлях, але окремим атомам вдається досягти великих океанів і разом з іншими солями зумовити солоність морської води, хоча в ній все ж атомів натрію в сорок разів більше, ніж калію.
Калій - один з 6 основних елементів (кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, калій), що складають 96% всіх хімічних речовин грунту. У земній корі його міститься 2.5%. У міру розвитку життя на землі калій гірських порід активно залучався до біологічний круговорот, переходив в рухомий стан та відповідно до інтенсивністю і спрямованістю регіональних біологічних процесів накопичувався в кореневмісному шарі грунту, закріплюючись в її мінеральної та органічної частини, вилуговується за рахунок міграції та ерозії, відчужувалась з біомасою.
У грунті, на відміну від материнської породи, калій знаходиться в складі не тільки мінеральних структур, а й складного органомінерального колоїдного комплексу, залишків рослинного, тваринного та мікробіологічного походження.
Стан і режим калію в горизонтах грунтового профілю тісно пов'язані з мінералогічним складом грунтоутворюючих порід, їх гранулометричним складом, зональної специфікою і характером землекористування. Мінералами, що визначають валовий вміст калію в грунті (в середньому близько 1.5%) і в почвообразующей породі, в основному є калієві польові шпати, слюди і Ілліт.
Зазвичай не більше 5% калію доступно рослинам в глинистих грунтах і 1.5% у піщаних. Мінералогічний і органо склад грунту визначає таке її важлива властивість як здатність фіксувати або поглинати калій. Фіксація калію зростає при висушуванні грунту. Іноді фіксований калій утримується мінералами так міцно, що стає недоступним для рослин. Фіксація калію особливо виражена на досить «виснажених» грунтах. Обмеження в забезпеченні рослин калієм при зниженні вологості грунту виникає не тільки в результаті процесів фіксації, але і ослаблення швидкості пересування калію до коріння.
Рух більшості поживних речовин у грунті до кореневої системи здійснюється або шляхом дифузії, або спільно з грунтовою вологою. Дифузійні потоки - основний шлях транспорту калію з грунту в рослину. Вони створюються з виникненням градієнта концентрації елемента в результаті його поглинання корінням. Також як і рух води виникає при наявності градієнта водного потенціалу в системі грунт - рослина. Чим сильніше розвинені надземні частини рослини і вище їх потреба у воді і поживних речовинах, тим вище відповідний градієнт. Надходження калію до рослин при масовому струмі води не велике і різко слабшає в міру їх старіння. Розміри дифузії калію тісно пов'язані з процесами взаємодії його різних форм у грунті, з її вологістю, адсорбційною ємністю кореневої системи.
При підвищеній вологості середовища коріння мобілізують калій з більшого обсягу грунту, що підвищує ступінь його доступності навіть при невисокому вмісті. Навпаки, при зниженій вологості можливість дифузії обмежена, незважаючи на високий градієнт концентрації.
Ослаблене забезпечення рослин калієм може відзначатися не тільки в посушливій зоні, а й в умовах помірного клімату в період відсутності опадів, який часто збігається з періодами максимального споживання калію. Внесення калійних добрив без урахування регіональних метеоумов може не дати очікуваного ефекту.
Іншою причиною недостатнього постачання рослин калієм може бути обмежена швидкість переходу з поглиненого стану в доступне, яка не відповідає розмірам його споживання рослинами. Наприклад, споживання калію картоплею за добу може досягати 5 і навіть 10 кг / га. Тільки завдяки науково-обгрунтованої системи добрива можна уникнути добового дефіциту в калійному живленні.
Поряд з параметрами, що характеризують властивості грунту (потенційні запаси калію, буферна здатність, гранулометричний склад, кислотність, вміст гумусу і поживних елементів, глибина і властивості кореневмісного шару), необхідно враховувати фактори водного і теплового балансу, зіставляючи все це з передбачуваної продуктивністю сільськогосподарських культур і особливостями їх калійного живлення.
Оптимальний режим калійного живлення рослин, що забезпечує задану продуктивність, може бути створений тільки при використанні систематично визначається блоку показників. Кількість їх і періодичність визначення залежать від поставленого завдання і зональних умов.
Отже, облік запасу в грунті доступних для рослин форм калію дуже важливий, оскільки сучасне землеробство немислимо без достатнього рівня калійного живлення сільськогосподарських культур.
4. Родовища
У геологічній науці існує прецедент, коли ціла епоха історії землі - Перм - отримала назву від найменування населеного пункту - міста на західному Уралі, столиці Пермського краю. У 1841 році англійський геолог Родерік Мурчісон, (Murchison, 1792-1871), подорожуючи по Уралу, відкрив Пермський період - останній (шостий) системи палеозойської ери історії Землі (доречніше за кам'яновугільним періодом і передує тріасовому періоду мезозойської ери). Початок Пермі визначається в 285 млн. років тому, а тривалість - 55 млн. років.
Понад 250 мільйонів років тому в Пермський період Палеозойської ери практично над всією територією сучасної Євразії розташовувалося величезне Пермське море. Однак підняття обширних платформних областей роз'єднав гігантське море на полузаметние басейни - лагуни. Під впливом сонця концентрація солей в лагунах різко зростала, а потім натрієві, калієві, магнієві солі стали випадати в осад. Так поступово протягом багатьох тисячоліть формувалося одне з найбільших у світі Верхнекамское родовище калійно-магнієвих солей (ВМКМС).
Родовище розташоване на Західному Уралі, в Пермській області та є гігантською лінзоподібні поклад, що має площу 6,5 тис. км 2, витягнуту з півночі на південь на 200 км і шириною до 50 км.
Соляні формації відносяться до Філіпповському (ангідриту, карбонати) і іренскому (ангідриту, солі) горизонтів кунгурского ярусу нижньої пермі та нижньої частини Солікамського горизонту (глини, мергелі, солі) уфімського ярусу верхньої пермі. На більшій частині Солікамський депресії поширений карбонатно-сульфатний тип розрізу Пилипівського горизонту (вапняки, доломіт, ангідриту). Іренскій горизонт (Березниковская свита) включає глинисто-ангідридні, соленосних і перехідну товщі. Соленосних товща ділиться на підстилаючу кам'яну сіль (140-400 м), сильвінітової (20 м), сильвініту-карналлітовую (60-70 м) зони і покривну кам'яну сіль (0-55 м). Після Саскачеванського родовища (Канада, 37% світових запасів калійних солей) прикамских є найбільшим у світі. Запаси тільки калійних солей на Верхнекамское родовищі за категоріями А + В + С1 + С2 складають більше 120 млрд. тонн. Це 31,4% світових запасів хлористого калію.
Світова калійна промисловість останнім часом пережила кілька потрясінь. У жовтні минулого року ринок стривожила новина про аварію на копальні «Уралкалія» в Березниках (Пермський край), в січні 2007-го про можливість припинення виробництва на одному зі своїх рудників у зв'язку з аварійною ситуацією оголосила північноамериканська компанія Mosaic. Затоплення копалень - головний ризик для калійної промисловості з моменту її появи в позаминулому столітті - трапляються й досі.
Сьогодні світова калійна індустрія знаходиться на підйомі. Стабільний попит на калійні добрива забезпечують всі аграрно розвинені країни, а переживають економічний підйом Китай, Бразилія та Індія з року в рік збільшують закупівлі хлористого калію, підігріваючи попит на міжнародних ринках.
Найбільші родовища калію розташовані в канадській провінції Саскачеван і в російському Верхнекамье (Пермський край). На частку Росії, що випускає щорічно близько 10 мільйонів тонн хлористого калію, припадає приблизно 20 відсотків світового виробництва. Калій також добувають білоруси, німці, ізраїльтяни, йорданці - всього в світі налічується близько десятка більш-менш великих виробників, які продають його споживачам з 150 країн. І загострення конкуренції серед виробників калію найближчим часом не передбачається. Адже для того щоб створити калійне виробництво потужністю 1 мільйон тонн на рік з нуля вже на розвіданих родовищ, за підрахунками канадських калійників, необхідно вкласти не менше 1 мільярда доларів, при тому, що перші тонни добрив вдасться отримати через 5-7 років.
Безумовно, в калійної галузі поряд з дохідним виробництвом існують певні ризики. Ризики обумовлені тим фактом, що солі калію, магнію та натрію розчиняються при попаданні грунтових вод в рудникове простір. Це теоретично може призвести до осідання земної поверхні.
Перший калійний рудник поблизу німецького міста Ашерслебен затонув ще в 1886 році. З тих пір його долю розділили ще близько 80 рудників, розташованих на різних континентах. Ніколи жоден з них не вдавалося врятувати від затоплення.
У кожного калійного родовища свої особливості. Наприклад, у Німеччині часто зустрічаються родовища у формі купола. Для Канади типово Стовбове залягання солей, при якому вони розташовані майже вертикально. Верхнекамское родовище - практично пологе, і калій тут залягає пластами на глибині 300-500 метрів. При цьому головне завдання при видобутку калію - залишити в недоторканності верхній і нижній шари. Вихід за їх межі чреватий припливом грунтових вод і подальшим затопленням рудника. Нехтування цим правилом призводить до плачевних результатів. Зокрема, ще в кінці XIX - початку ХХ століття кілька рудників у Німеччині (Ашерслебен-3, Ассе-1, Гедвігсбург та ін) були затоплені через видобуток каїніту - труднорастворимого мінералу, який знаходиться в зведенні соляного купола і разом з іншими нерозчинними породами утворює «капелюх», що охороняє поклад від грунтових вод.
Не вдалося уникнути проблем і північноамериканським виробникам калію. На з'єднаних між собою рудниках К-1 і К-2 поблизу канадського міста Естерхазі компанія Mosaic протягом декількох років видобуває калій в умовах припливу розсолу. Наприкінці січня 2007 року приплив розсолів у шахту Mosaic різко зріс - до 25 тисяч галонів в хвилину (американський галон становить 3,79 літра). Керівництво компанії заявило, що якщо надходження розсолу не зменшиться, то воно розгляне питання про консервацію рудника. Проте вже на початку березня Mosaic заявила про те, що приплив стабілізувався на рівні 5 тисяч галонів в хвилину, що дозволяє далі експлуатувати рудник.
Затоплення може тривати від кількох днів до кількох років. Прикладом катастрофічного затоплення став рудник французько-конголезької компанії «Компані де потас дю Конго», яка розробляла родовище в Конго. Побудований нею калійний рудник не пропрацював і декількох років. У 1977 році протягом трьох днів приплив розсолів у шахту збільшився з 17 до 10 000 куб. м / год.
Перший випадок затоплення рудника у нас в країні припадає на 1986 рік. Тоді аварія сталася недалеко від Березняків на рудоуправлінні № 3 «Уралкалія». Невелика цівка води за кілька тижнів перетворилася на потужний потік. Незабаром рудник довелося закрити, а через кілька місяців в місці прориву води в шахту утворилася воронка завглибшки близько ста метрів - грунтові води розмили соляну товщу, в надрах утворилася порожнеча, в яку обрушилися вищерозміщені шари.
Наступна аварія трапилася через 9 років у північній частині Верхнекамского родовища, яку освоює компанія «Сильвініт». 5 січня 1995 в результаті землетрусу силою 5 балів за шкалою Ріхтера на руднику другому рудоуправління ВАТ «Сильвініт» протягом кількох секунд на площі 950 на 750 м утворився провал глибиною більше чотирьох метрів. Під загрозою затоплення опинилися відразу дві копальні, які в свій час для того, щоб полегшити завдання шахтобудівникам, були з'єднані виробленням. Крім того, з'явився ризик для житлової забудови Солікамська, під якою розташований рудник. Від масштабної катастрофи місто тоді врятував щасливий випадок. З верхніх пластів опустився 20-метровий шар пластичної глини, який «запечатав» водоносний горизонт, не дозволивши воді проникнути в рудник.
Тоді влада Пермської області та промислові підприємства всерйоз занепокоїлися можливістю нових аварій. Верхнекамское родовище почало активно розроблятися в 30-50-ті роки минулого століття. У ті роки країна гостро потребувала сировину для кольорової металургії та добривах, і про небезпеки, до яких може призвести не надто вдумливе освоєння родовища, думати було ніколи. Коли ж ризики підземної розробки солей були вивчені більш детально, над рудниками вже були побудовані міста Березники і Соликамск.
Найбільш ефективним заходом захисту від можливого осідання поверхні в результаті розробки родовищ вчені вважають закладку пустот відходами калійного виробництва - кам'яною сіллю. З початку освоєння родовища в 1930-х роках до наказу Минхимпрома СРСР 1971 року закладання не велася в принципі. За цей час під містами накопичилися мільйони кубометрів пустот. Але й після наказу закладні роботи фінансувалися державою за залишковим принципом. Лише у 2002 році законодавчі збори Пермської області прийняло програми закладки пустот під Березники і Соликамском. Завершити виконання обох програм передбачалося до 2008 року. Більше 70 відсотків фінансування взяли на себе компанії «Уралкалий» і «Сильвініт», решту - бюджет області та місцеві бюджети.
У Березниках програма виконувалася з випередженням графіка. До середини 2006 року вона була виконана більш ніж на 90 відсотків. У результаті в місті практично припинилися осідання поверхні. Повністю завершити закладні роботи перешкодила аварія.
У жовтні 2006 року в рудник перший рудоуправління «Уралкалія» стали надходити води розсільного горизонту. Через 10 днів рассолопріток різко активізувався до 1200 кубометрів на годину. Насосне обладнання перестало справлятися з ним, і рудник довелося закрити.
У причинах того, що сталося на першому калійному в Березниках розбиралася державна комісія, сформована Ростехнаглядом. Як випливає з її підсумкового протоколу, головною причиною аварії стали особливості геологічної будови цієї ділянки Верхнекамского родовища. «Тут мала місце дуже складна й рідкісна геологічна аномалія, - пояснив керівник Пермського міжрегіонального управління Ростехнагляду Станіслав Южанин. - Над ропні горизонтом зазвичай знаходиться глина. У цьому місці вона відсутня і заміщена легкорозчинний породою. Частина її була вимита грунтовими водами, внаслідок чого виникла ослаблена зона ». Ще одним фактором, що вплинув на ситуацію, стала видобуток калійної руди на аварійній ділянці відразу на двох пластах, розташованих один під одним. Видобуток руди проводилася ще в 60-х роках минулого століття за нормативними документами того часу. Заборона на відпрацювання двох пластів під міською територією був введений тільки в 1970-х. Але під впливом посиленого осідання порід в ослабленій зоні водозахисна товща рудника дала тріщину, і в нього полилися води розсільного горизонту.
Для життя Березніков аварія не мала драматичних наслідків через практично завершених закладних робіт, проте вплинула на міську інфраструктуру, що знаходиться в зоні аварії. Прорив водозахисної товщі трапився в районі залізниці і газопроводу, що веде на місцеву ТЕЦ, а значить, і провал з великою часткою ймовірності повинен відбутися саме там. Протягом двох тижнів після аварії ТГК-9 побудувала новий газопровід. Рух пасажирських поїздів на небезпечній ділянці було зупинено, і в короткі строки було побудовано обвідний шлях.
Аварія на першому руднику «Уралкалія» - одна з найскладніших в історії калійної промисловості. Хоча б тому, що в світі не відмічено випадків, коли аварійний рудник знаходився б безпосередньо під промисловим містом з населенням 180 тисяч чоловік. Але ситуації, коли на поверхні були розташовані більш дрібні населені пункти, все ж таки зустрічалися.
Найбільше випадків затоплень припадає на частку Німеччини. Тільки в околицях Штаcфурта і Ашерслебен розташовані близько 30 рудників, більшість яких затоплені ще наприкінці XIX - початку XX століття.
Наслідки затоплення шахти в Ронненберге (передмістя Ганновера) виявилися вельми драматичними. Коли влітку 1975 року протягом двох тижнів у калійний рудник надійшло понад 7 мільйонів кубометрів води, опускання поверхні досягли 25 см в день, а по домівках пішли тріщини, частина жителів Ронненберга навіть довелося евакуювати. Правда, вже через кілька днів вони повернулися в свої будинки. Тепер у цьому місті важко відшукати навіть натяк на сліди минулих руйнувань - всі будинки давно відремонтовані і приведені в порядок, а про калійному минуле міста нагадує тільки солеотвал на околиці.
Бібліографічний список
Англ., Т. 3, М., 1966; Биховер Н.А., Економіка мінеральної сировини, М., 1969; Волков К.І., 3агібалов П.М., Мецік М.С., Властивості, видобуток і переробка слюди, [Іркутськ], 1971.
Калій, в кн.: Коротка хімічна енциклопедія, т. 2, М., 1963; Некрасов Б.В., Основи загальної хімії, т. 3, М., 1970; Ремі Г., Курс неорганічної хімії, пров. з нім., т. 1, М., 1963.
Дір р.а., Хауї Р.А., 3усман Л ж., Породообразующие мінерали, пров. з англ., т. 4, М., 1966; Марфунін А.С., Польові шпати - фазові взаємини, оптичні властивості, геологічне розподіл, М., 1962.
Капланський С.Я., Мінеральний обмін, М. - Л., 1938; Вишняков С.І., Обмін макроелементів у сільськогосподарських тварин, М., 1967; Саткліфф Дж.-Ф., Поглинання мінеральних солей рослинами, пер. з англ., М., 1964.