Soil Structure

Soil structure

Soil Structure

Soil structure refers to the arrangement of soil separates into units called soil aggregates. An aggregate 

possesses solids and pore space. Aggregates are separated by planes of weakness and are dominated 

by clay particles. Silt and fine sand particles may also be part of an aggregate. The aggregate acts like a 

larger silt or sand particle depending upon its size.

The arrangement of soil aggregates into different forms gives a soil its structure. The natural processes 

that aid in forming aggregates are:

1) wetting and drying,

 2) freezing and thawing,

 3) microbial activity that aids in the decay of organic matter,

 4) activity of roots and soil animals, and

 5) adsorbed cations.

The wetting/drying and freezing/thawing action as well as root or animal activity push particles back and forth to form aggregates. 

Decaying plant residues and microbial byproducts coat soil particles and bind particles into aggregates. 

Adsorbed cations help form aggregates whenever a cation is bonded to two or more particles.

Aggregates are described by their shape, size and stability. Aggregate types are used most frequently when 

discussing structure (Table 2.3, Figure 2.5).

  

 Figure 2.5.  Soil structural types. 

 Table 2.3. Structure type and description 

  

Structure is one of the defining characteristics of a soil horizon. A soil exhibits only one structure per soil 

horizon, but different horizons within a soil may exhibit different structures. All of the soil-forming factors, 

especially climate, influence the type of structure that develops at each depth. Granular and crumb 

structure are usually located at the soil surface in the A horizon. The subsoil, predominantly the B horizon, 

has subangular blocky, blocky, columnar or prismatic structure. Platy structure can be found in the surface 

or subsoil while single grain and structureless structure are most often associated with the C horizon. Turn 

to Soils - Part 1 to identify the structure for different horizons of the Holdrege, Nora, Sharpsburg and 

Valentine soils.

Aggregates are important in a soil because they influence bulk density, porosity and pore size. Pores within 

an aggregate are quite small as compared to the pores between aggregates and between single soil 

particles. This balance of large and small pores provides for good soil aeration, permeability and water-holding capacity.

Tillage, falling raindrops and compaction are primarily responsible for destroying aggregates. As the 

cutting edge of a tillage implement is pulled through the soil, the shearing action at the point of contact 

breaks apart aggregates. If tillage is conducted at the same depth for several years, a tillage pan may 

develop. This is one form of compaction. Particles that were once part of the aggregates may reorient 

themselves and form platy structures. The amount of aggregate destruction that results from tillage 

depends on the amount of energy the tillage implement places in the soil. The field cultivator has little 

down pressure and destroys few aggregates. The disk, however, has both cutting action because of the 

rotation of the disk and shearing action. Together there is substantial down pressure and destruction.

Aggregates on the soil surface can be broken down by the beating action of raindrops. The single 

particles that were once part of the aggregate can easily form a crust when the soil dries. The crust 

looks very similar to the crust formed on a puddle after it rains. It is very difficult for water to infiltrate 

a crust and for seedlings to push up through a crust. Thus, field operations that lead to aggregate 

destruction at the soil surface have detrimental secondary effects. The particles also can be eroded if 

they become detached by rainfall.

Compaction can lead to the breakdown of aggregates in the surface soil and subsoil if the applied force 

from wheel traffic, animal traffic or human traffic is greater than the force holding an aggregate together. 

Field observations have shown that compaction can cause granular structure on the soil surface to break 

down and reform as blocky structure and blocky or subangular blocky structure in the subsoil to become 

structureless.

Aggregation is promoted by root growth and the addition of organic material. Roots excrete compounds 

that are used as food by microorganisms. Also, as roots absorb water and dry the soil, cracks form along 

planes of weakness. Lastly, when roots decay, root channels serve as conduits for water that facilitate 

wetting/drying and freezing/thawing.

Organic material may be added in the form of crop residue, animal manure, sludge, and green manure. 

These additions are usually made to the surface soil and are critical to the development of granular and 

crumb structure. As organic material is incorporated by tillage, soil animals and microorganisms, it aids in 

subsoil structure development.

Clay Minerology

Clay minerology

Clay mineralogy

Clay minerals are a group of hydrous aluminium phyllosilicates, characterised by two-dimensional sheet 

structures. Variable cation substitution in these sheets leads to differential layer charge which result 

in changeable reactions with water and organics together with high surface area and cation exchange 

capacities.

Clay minerals can be divided into four major groups: kaolin, smectite, illite and chlorite. Each of these

groups exhibit different characteristics. Clay minerals are typically fine-grained (4 μm) and constitute 

about 16% volume of material at the Earth's surface and are abundant in soils, sedimentary and 

low-grade metamorphic rocks and hydrothermal alteration zones.

The importance of clay minerals

Studies of clay minerals are imperative for a wide range of stakeholders, for example:

soils and agronomy – clay minerals are fundamental to many soil functions including water, 

nutrient (e.g. potassium, ammonium) and contaminant (pesticides, heavy metals) retention, 

carbon storage, maintaining soil structure and the filtering of both ground and surface waters

civil engineering including waste disposal – due to their large shrink-swell and sorptive capacities, 

studies of clay minerals are essential to site assessments and geotechnical investigations. Clay 

minerals are also frequently employed as engineered materials.

energy – studies of clay minerals may be employed to detect the depositional environment, 

stratigraphic correlation, reservoir quality, cap rock properties and basin history of hydrocarbon 

deposits and for carbon capture and storage

industry – clay minerals form critical raw materials for a range of industrial processes including catalysis, 

colloids, paper coating, drilling fluids, pharmaceuticals, ceramics and nano composites

 

Halloysite. 

 

Saponite. 

Characterising and studying clay minerals

BGS has provided a centre of excellence for the study of clay minerals since the 1960s and continues to research these important minerals using a range of analytical methods available at the Keyworth laboratories:

Applications

The study of clay minerals plays a key role in projects that span the BGS science programme. Current examples include:

the characterisation of host rocks and engineered backfill materials for radioactive waste repositories

studying the impact of land management practices on the sustainability of soils

the characterisation of reservoir and cap rocks for hydrocarbon exploration and carbon capture and storage projects

researching the low grade metamorphism of Lower Palaeozoic strata in southern Scotland and central Wales using illite crystallinity methods

the characterisation of UK rocks and soils to understand and predict their engineering properties

Staff and facilities are also in constant demand for direct consultancy analysis and interpretation by external clients including: oil, mineral and mining companies; engineering and utility companies; consultancies; university departments and local authorities.

Soil Formation

Soil formation

All soils initially come from rocks, this is termed the ‘parent material’. The Parent Material may be 

directly below the soil, or great distances away if wind, water or glaciers have transported the soil.

In addition to the soil parent material, soil formation is also dependent upon other prevailing 

processes affecting soil formation. The soil formation process is termed 'pedogenesis'. 

Climatic conditions are important factors affecting both the form and rate of physical and 

chemical weathering of the parent material.

The formation of soils can be seen as a combination of the products of weathering, of structural 

development of the soil, of differentiation of that structure into horizons or layers, and lastly of 

its movement or translocation. In fact there are many ways in which soil may be transported 

away from the location where it was first formed.

Soil Formation

In the UK, one of the most important of these factors is the effect that the ice ages have had. 

As glaciers pushed southwards down the country, they acted like giant bulldozers pushing soil 

ahead of them. Glacial ‘till’ or ‘drift’ deposits resulted many tens or even hundreds of miles from 

where the soils were first formed. When the weather warmed up and the glaciers melted, great mounds of soil were left behind, these are called ‘moraines’ and can be very impressive to see - 

clearly demonstrating the power of glaciers.

Water is also very important in moving soils. As rivers flow, so they transport soil particles along. 

If soil is washed into a river, the smallest particles will be carried the furthest by the water as they 

weigh the least. Heavier particles, such as sand, will be dropped earlier by the river. If you see an 

aerial photograph of a river as it flows into the sea or a lake, you may see the ‘fan’ of deposited 

soil materials. Soils deposited in this way around lakes and rivers are termed ‘alluvial’. Soils 

deposited in lakes are called 'lacustrine', soils deposited by rivers 'riverine' and by sea 'marine'

 alluvial soils.

Water

Rainfall is also important in washing soil off exposed land. Even gentle rain can dislodge and move 

small soil particles. If this happens all across a field the process is termed ‘sheet erosion’.Where 

there is a lot of rain, small gulleys can form which can speed up the process of ‘gulley erosion’. 

In tropical countries where there is extremely heavy rain, these gulleys can become so deep that 

you can walk down into them. Farmers should be aware of the effects of erosion upon their soil 

resource. Fields on slopes should be ploughed in lines across the gradient to prevent excess runoff 

and erosion. However, one can often see fields ploughed down the slope. This has the effect of 

creating small channels for rain water, and these channels can soon enlarge.

Dye tracers in action

One way scientists can try to quantify the effects of such erosion is to employ dye tracers in the field. 

To do this, during a rain event, a dye tablet is placed in the field and the extent of the resulting runoff 

pattern then becomes only too clear.

The wind is also able to move surprisingly large quantities of soil. On occasions fine soil deposits can 

be seen in many parts of the South of England which have been blown all the way from North African 

deserts.

Soil in your garden is likely to be well mixed both as a result of years of digging and from the activities

of animals in the soil such as worms. In agricultural fields there may be less mixing as there are fewer

animals present due to the use of chemicals and compaction from heavy machinery. Ploughs are used 

to aerate and mix the soil instead. Where ploughs are continually used at a certain set depth, there 

may form a hard layer called a ‘pan’ below which there is little mixing. Such hard pans can also affect 

the drainage in the field where water cannot flow downwards affecting crop yields.