Изотопно-геохимический состав карбонатных новообразований почв Джулукульской котловины, горный Алтай

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ)

Изотопно-геохимический состав карбонатных новообразований почв Джулукульской котловины, горный Алтай

Васильчук Джессика Юрьевна Аспирант,

кафедра геохимии ландшафтов и географии почв

Кречетов Павел Петрович

кандидат биологических наук доцент

Аннотация

карбонатный кутана изотопный геохимический

Предметом исследования являются натечные карбонатные новообразования, кутаны на нижних поверхностях крупнообломочного материала, характерные для районов резко континентального аридного климата. Карбонатные корки, кутаны, представляют из себя комплексные образования, залегающие послойно, содержащие помимо карбонатного материала также силикатный, внутри встречаются и тонкие включения органического материала. Мощность кутан варьирует от 1 мм до 7 мм. Исследуемые новообразования располагаются в пределах профилей криоаридных почв Джулукульской котловины. Основными характеристиками изотопно-геохимического состава карбонатных кутан являются: состав изотопов кислорода и углерода, валовое содержание макро- и микроэлементов. Основные методы исследования: масс-спектрометрическое изучение изотопного состава, рентген-флуоресцентный метод для измерения валового содержания макро- и микроэлементов, газоволюметрический метод измерения содержания рассеянных карбонатов в почвах, метод ионной хроматографии для измерения водорастворимых форм карбонатов. Охарактеризован изотопный и элементный состав карбонатных кутан. Карбонатные новообразования в криоаридных почвах представлены в основном карбонатами кальция, но в материале новообразований при этом нередко преобладает кремний, алюминий и железо. Среди измеренных микроэлементов значительные концентрации демонстрируют Mn, Sr, Cu,Cr. Наблюдается тренд утяжеления изотопного состава углерода и облегчение изотопного состава углерода от внутренних слоев карбонатных кутан к внешним. Приведенные данные свидетельствую о том что в течение времени формирования кутан условия среды значительно менялись.

Ключевые слова: изотопы кислорода, карбонатные минералы, озерные котловины, изотопы углерода, Алтай, криоаридные почвы, карбонатные кутаны, стабильные изотопы, поверхностные воды, многолетнемерзлые порорды

Abstract

The research subject is carbonate dripstones and pendants on the lower surfaces of coarse clastic rocks, typical for the regions with sharply continental arid climate. Calcareous crusts, pendants, are complex bedded bodies, containing both carbonate and silicate materials with thin patches of organic material. The width of pendants varies from 2 to 7 mm. The studied new growths are located within the cryoarid soils' profiles of the Julikul basin. The key characteristics of isotope and geochemical composition of carbonate pendants are: the oxygen and carbon isotopes composition and the gross number of macro- and micro elements. The research methods include: the mass-spectrometer measurement of the isotope composition, the x-ray and fluorescence analysis of the gross number of macro- and micro elements, the gas-volume method of measurement of disperse carbonates ratio in soils and the method of ion chromatography for the measurement of water-soluble carbonates. The authors characterize the isotope and element composition of carbonate pendants. Carbonate new growths in cryoarid soils are presented basically by calcium carbonates, but the materials of new growths often contain silicon, aluminium and ferrum. Among the measured materials, MN, Sr, Cu and Cr have the most significant concentrations. There is a tendency to the weighing of the isotope composition of carbon and the lighting of the isotope composition of carbon from the internal to the external layers of carbonate pendants. These data prove that the environmental conditions were changing during the pendants formation.

Keywords: carbonate minerals, lake basins, carbon isotopes, Altai, cryoarid soils, oxygen isotopes, carbonate pendants, stable isotopes, surface water, permafrost rocks

Введение

Карбонатные кутаны, также описываемые в литературе как «бородки» или «корки» ^[3] - натечные педогенные новообразования, которые образуются на поверхности почвенных агрегатов или каменистых включений. Подобные новообразования встречаются в почвах аридных и семиаридных ландшафтов и изучены рядом исследователе ^{[3],[5-7],[15-17],[21],[25-29],[31],[34]}, Натечные новообразования на нижних поверхностях обломочного материала являются характерным признаком отдела палево-метаморфических почв и в частности типа криоаридных почв. В «Классификации почв России» ^[9] они впервые выделяются как один из типов отдела палево-метаморфических почв, при этом указывается, что разделение криоаридных почв на подтипы при настоящей слабой их изученности не целесообразно. Хотя данный тип почв имеет название с отсылкой к факторному подходу, выделен он из-за своего своеобразия, которое впервые было обозначено еще в 60-70 годы ХХ века В.И. Волковинцером ^[3], выделившим отдельный тип почвообразования холодных экстраконтинентальных аридных территорий. Эти почвы ранее описывались как каштановые и горные каштановые ^[12],[14]. Обобщая имеющиеся данные ^[15] можно говорить о специфических криоаридных ландшафтах, формирующихся в условиях ультраконтинентального экстрааридного антициклонального (криоаридного) климата, характеризующегося отрицательной среднегодовой температурой воздуха и крайне малым среднегодовым количеством осадков, сплошным и островным распространением многолетнемерзлых пород, произрастанием криоксерофильной растительности и специфическим типом почвообразования. В.И. Волковинцер исследовал такие ландшафты на весьма обширной территории, в холодных аридных районах Северо-Восточной Азии и севера Центральной Азии, располагающихся в пределах крупных внутриматериковых и географически удаленных друг от друга горных сооружений на территории Якутии, Забайкалья, Тувы, Горного Алтая, Центрального Тянь-Шаня и Монголии.

Карбонатные минералы в виде кутан являются характерными также и для полярных пустынь (остров Сеймур, архипелаг Шпицберген), континентальных тундр (Центральная Якутия), степей (Забайкалье), пустынь (пустыня Мохаве, США, Сирия), а также в горных экстраконтинентальных областях Евразии (Тыва, Алтай). В срединных горизонтах крайнеаридных почв Илийской котловины (Казахстан) также описаны карбонатные и глинисто-карбонатные кутаны ^[10]. Выпадение карбонатов из почвенных растворов в постоянно жарком аридном климате зачастую связано с изменением растворимости СО₂ при повышении температуры и испарительной концентрацией ^[26], в холодных же континентальных областях в педогенез включается также и процесс промерзания. Источником карбонатов в почвенном растворе могут являться карбонатные почвообразующие породы, аллохтонный карбонатный материал (например, эоловая пыль), а также минерализованные грунтовые воды.

Криоаридные межгорные котловины Юго-Восточного Алтая отличаются распространением преимущественно бескарбонатных пород и своеобразием истории развития территории, связанным с появлением в плейстоцене-голоцене лимногляциальных комплексов ^[11].

Цель данной работы состоит том, чтобы охарактеризовать изотопный и химический состав карбонатных новообразований в Джулукульской котловине.

Объекты и методы

Объектом исследования являются карбонатные натечные новообразования на нижних поверхностях обломочного материала, обнаруживаемые в почвах слона южной экспозиции котловины озера Ак-Холь (50°16,234' с.ш., 89°35,750' в.д.), располагающейся в пределах Джулукульской межгорной впадины, на юго-востоке Горного Алтая, на территории Монгун-Тайгинского района республики Тыва. Озеро Ак-Холь расположено на высоте 2200 метров н.у.м. На юго-западе котловина озера Ак-Холь граничит с хребтом Чихачева (юго-западная граница всей Джулукульской впадины). Помимо озера Ак-Холь, площадью около 4 км²,являющегося проточным в пределах котловины в понижениях обнаруживаются и небольшие по площади высокогорные бессточные озера, площадью менее 1 км², одно из них, находящееся в долине пересохшего водотока также было исследовано. Из озера Ак-Холь вытекают р. Ак-Карасуг, р. Ак-хем, впадают р. Чеди-тей (Джедитей), р. Шынгылдырак. Подземные воды в районе долины реки Ак-Карасуг имеет гидрокарбонатно-кальциевый состав, минерализацию 0,19 г/л и дебит 0,5 л/сек ^[4]. Элювий представлен окатанными и слабо окатанными обломками гнейсов и гранитов. Согласно П.П.Сушкину ^[18] для Юго-Восточного Алтая характерен климат монгольского типа - сухой антициклональный и холодный субаридный. Резкие колебания температур наблюдаются не только по сезонам года, но и даже в течение суток. Короткий безморозный период, небольшое количество осадков (около 100 мм в год) с летним максимумом, высокая инсоляция, малоснежная зима, наличие островов многолетней мерзлоты - это показатели сурового резко континентального климата монгольского типа, особенно характерного для межгорных котловин.

На склоне южной экспозиции в соответствии c элементами рельефа было заложено два профиля с восемью разрезами в том числе на древних террасах озера и долине пересохшего водотока (возможно ложбина стока талых ледниковых вод), занятой бессточным озером (далее Безымянное озеро). Разрезы, подробно рассматриваемые в статье, располагаются на пойме оз.Ак-холь (АК-10), безымянного озера (АК-ОЗ), на склоне ложбины безымянного озера (АК-1), на автономной позиции, древней террасы озера Ак-Холь (АК-0), на пологом участке ниже по склону (АК-2), на террасе озера Ак-Холь (АК-8).

Большинство исследованных почв (за исключением разрезов расположенных на поймах озер, относятся к типу криоаридных. Профиль криоаридных типичных почв включает горизонты АК (криогумусовый), BPL (палевый), BCA (иллювиально-карбонатный), С (материнская порода, в данном случае бескарбонатная, представленная гранитами, гнейсами, хлоритовыми сланцами). Классификация почв проводилась согласно классификации почв России ^[9].

Карбонатные кутаны (рис. 1) обнаруживались на нижних сторонах гальки и щебня. Толщина кутан различна от долей миллиметра до нескольких мм (4-7). Новообразования представляют собой многослойные корки сплошного либо дискретного распространения. Слои имеют различный цвет, адгезивные свойства, толщину, состав: это рыхлые карбонатные белесые обычно вышележащие слои, силикатно-карбонатные плотные белесые и желтоватые слои, гумусово-карбонатные бурые слои. Изотопный состав измерялся в различных слоях карбонатных корок. Слои отделялись от фрагментов породы с помощью многофункционального инструмента Dremel 8200 c круговой насадкой с алмазным покрытием. Для элементного анализа кутаны отбирались целиком, ввиду малого количества материала.

Рис. 1 Карбонатная кутана на поверхности гальки крупнокристаллических пород

Во всех разрезах выполнялся отбор образцов мелкозема через 10 см с учетом генетических горизонтов для исследования физико-химических и химических характеристик почв. Образцы почв просушивались до воздушно сухого состояния и растирались до фракции 1 мм в фарфоровой ступке. Кислотно-щелочные свойства почв определялись потенциометрическим методом в водной суспензии (1:5), с помощью рН-метра. Сумма растворенных солей определялась в водной вытяжке кондуктометрическим методом с помощью TDS-метра. Содержание СаСО₃ в мелкоземе определялось газоволюметрическим методом с помощью кальциметра и 10% HCl. Состав водной вытяжки почв (вытяжка 1:5, для разреза АК-ОЗ вытяжка с соотношением 1:50) определялся различными методами в том числе, методом кислотно-основного титрования с 0,01 М Н₂SO₄ определялась карбонатная и общая щелочность (СО₃^2-, HCO₃^-). Концентрации ионов Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-, F^- определялись методом ионной хроматографии. Концентрация Ca²⁺, Mg²⁺ определялась методом комплексонометрического титрования с 0,05 Н Трилоном-Б/ Содержание Na⁺ и К+ определялось с помощью атомно-абсорбционного спектрометра Analytik-Jena novAA400 с пламенным атомизатором.

Также изучены состав и свойства поверхностных вод. Непосредственно в поле определялись рН и минерализация поверхностных вод. Для химического и изотопного анализа образцы воды отбирались в пластиковые флаконы, емкостью 60 мл таким образом, чтобы во флаконе не оставалось «пузырька» воздуха, затрудняющего изотопный анализ, ввиду эффекта уравновешивания СО₂ воздуха и СО₂ растворенного в воде. Измерения изотопного состава кислорода и водорода вод и к произведены в эколого-геохимическом центре географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова с помощью масс-спектрометра Finnigan Delta-V со стандартной опцией газ-бенч. Для измерений использовались стандарт V-SMOW - международный стандарт среднеокеанической воды (значение д¹⁸О = 0‰, дD = 0‰), а также международный стандарт GISP (д¹⁸О = -24,76‰, дD = -189,5‰) SLAP (его д¹⁸О = -55,5‰, дD = -427,5‰). Аналогичным методом измерялся изотопный состав углерода и кислорода карбонатов, для получения CO₂растертый до фракции пудры в агатовой ступке материал новообразований обрабатывался 100% ортофосфорную кислоту, для измерений использовался стандарт V-PDB. Точность определений д¹⁸О и д¹³С составила 0,1‰. Ионный состав воды определялся методом ионной хроматографии с помощью ионного хроматографа «Стайер» (ЗАО «Аквилон») в эколого-геохимическом центре географического факультета. Определено содержание ионов Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-, F^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺. Элементный состав карбонатных новообразований (содержание основных макро и микроэлементов) определялся методом рентген-флуоресцентного анализа с использованием прибора «СПЕКТРОСКАН МАКС-GV».

В качестве эталонов сравнения для содержания элементов в новообразованиях использовались кларки карбонатных пород ^[1] и кларки химических элементов континентальной земной коры ^[2]. Были рассчитаны кларки концентрации КК = С/К и рассеяния КР = К/С, где С -- содержание элемента в почвах, мг/кг; К -- кларк элемента в верхней части континентальной земной коры, мг/кг ^[13]. Для расчета среднегодовой температуры применено уравнение Т.Церлинга и Дж.Куэйда ^[23] д¹⁸Окальцита(PDB)=0,49T?12,65, и уравнение С.Дваркина и коллег ^[24] -0,5Т³+(д¹⁸Окальцита(SMOW)+152,04)T²-2,78Ч10^?6=0, где Т - среднегодовая температура воздуха.

Результаты и обсуждение

В макроэлементном составе (рис.2) исследованных новообразований преобладает кремний 37,7 - 74,9%, алюминий 6,1 - 9,4%, кальций 0,4 - 16,2%, железо 3,0 - 5,1%, магний 0,8 - 3,3%. А.И.Гусевым ^[8] проанализирован средний состав различных петрогенетических типов гранитоидов Алтая, чьи разновидности являются доминирующими породами в исследуемом нами регионе. Во всех типах преобладает SiO₂ (64,14-73,81%), Al (12,40 - 15,18%), Na₂O (2,41-4,90%), K₂O (1,26-5,5%), CaO(0,75-4,27), FeO вместе с Fe₂O₃ (2,82 - 4,29%). Из пересечений приведенных диапазонов видно сходство измеренного состава некоторых измеренных новообразований с составом гранитоидов Алтая. Поскольку слои силикатно-карбонатных и карбонатных новообразований отбирались вместе, наиболее корректным для карбонатных новообразований следует признать результат, полученный для разреза АК-2, результаты для разрезов АК-1 и КА-1 показывают состав силикатных кутан в смеси с карбонатными. Таким образом для карбонатных кутан характерно высокое содержание кремния, кальция и железа, а также алюминия и магния.

Рис. 2 Содержание макроэлементов в кутанах Джулукульской котловины (АК-1, АК-2), в сравнении с Чуйской котловиной (КА-1)

При микрозондировании подобных кутан в Южном Прибайкалье В.А.Голубцов и А.А.Черкашина ^[5] также получили выраженные пики а области CaO (а также C), Si, Mg, Fe, Al. Что позволяет предположить, что новообразования в значительной степени из карбоната кальция, а также из глинистых минералов, вероятно перешедших из вмещающей почвенной массы ^[5] и из кремнезема.

Рис. 3 Содержание микроэлементов и MnO в кутанах Джулукульской котловины (АК-1, АК-2), в сравнении с Чуйской котловиной (КА-1)

Из макроэлементов в кутанах также присутствует марганец (714-1022 ppm). Среди микроэлементов (рис.3) преобладает стронций (297-497 ppm, медь (148-151 ppm). Содержание кобальта и хрома колеблется в диапазонах (6-40 и 36-93 ppm, соответственно). Свинец был встречен только в образце из Чуйской котловины (КА-1). Для сравнения количественных характеристик содержания элементов были выбраны кларки химических элементов верхней части континентальной земной коры АП.Виноградова ^[2] и кларки элементов карбонатных пород А.А.Беуса и др ^[1]. Содержание в кутанах ванадия превышает кларки карбонатных пород во всех образцах в 1,6-2,8 раз, но не превышает кларки континентальной земной коры, подобное же явление наблюдается и по отношению к никелю, чей кларк карбонатных пород превышен в 8-27 раз и к цинку (1,2-2,9 раз). Содержание хрома также значительно превышает среднее содержание в карбонатных породах (3,3-8,5) и примерно соответствует среднему содержанию в земной коре. Содержание кобальта в 163-403 раза превышает содержание в карбонатных породах, причем наибольшее превышение в образце наиболее адекватно, по нашему мнению, отражающем именно карбонатную составляющую новообразований, в этом же образце в 2,2 раза превышено содержание по сравнению с континентальной земной корой. Кларки меди в обоих типах пород значительно превышены для карбонатных пород это превышение составляет 36-37 раз, для континентально земной коры 3,1-3,2. Для мышьяка существует только кларк земной коры А.П.Виноградова, и содержание мышьяка в исследованных новообразованиях превышает его в 16 раз. Свинец был обнаружен только в образце новообразований в Чуйской котловине. По сравнению кларк концентрации свинца относительно карбонатных пород составил 42, по сравнению с кларком А.П.Виноградова накопления не происходит. Содержание стронция в новообразованиях близко к содержанию в земной коре и карбонатных породах. Кларк рассеяния наиболее велик у ванадия и составляет 1,5-2,8. Таким образом можно говорить о накоплении кобальта, мышьяка и меди в исследованных новообразованиях.

Рис. 4 Изотопный состав углерода и кислорода кутан Джулукульской котловины

Карбонатные новообразования широко используются для получения информации о палеоландшафтных условиях, в частности для палеореконструкций применяют микроморфологический, изотопный и радиоуглеродный методы анализа ^[30]

В.А.Голубцов с коллегами ^[6] полагают, что кутаны являются формой карбонатных новообразований исключительно подходящей для палеоландшафтных интерпретаций, поскольку это стратифицированные новообразования и их аккумуляция - относительно медленный процесс, приводящий к формированию последовательности слоев, отличающихся друг от друга по различным характеристикам. Смена слоев и их свойств отражает последовательные изменения условий формирования натеков во времени. Таким образом, послойный анализ кутан может служить инструментом для получения трендов изменения условий почвообразования. Дополнительную информацию о составе растительных сообществ, среднегодовой температуре воздуха, концентрации СО₂ в воздухе, можно получить на основе анализа состава стабильных изотопов углерода и кислорода педогенных карбонатов. Почвенные карбонаты осаждаются при пресыщении почвенного раствора по отношению к кальциту. Это происходит либо при уменьшении парциального давления углекислого газа, либо при испарении почвенного раствора. В равновесных условиях изотопный состав углерода кальцита определяется изотопным составом углерода в почвенной углекислоте. Равновесное функционирование приводит к обогащению карбонатов ¹³С по отношению к СО₂ на 10‰ при 25°С. Изотопный состав углерода почвенной СО₂ зависит от изотопного состава углерода растительного материала, подвергающегося разложению, скорости разложения и глубины в профиле. Растения, фотосинтезирующие по типу С3 (с участием цикла Кальвина) - это растения обладающие наиболее распространённым из механизмов автотрофной фиксации CO₂. При протекании восстановительный пентозофосфатный цикл, продуктом является трехуглеродное соединение - фосфоглицериновая кислота. По такому типу фотосинтезирует большинство растений умеренного климатического пояса, в том числе древесная.. Поскольку эти виды изначально сформировались в условиях гумидного климата, в дневное время их устьица всегда открыты для усваивания углекислого газа, поскольку в гумидном климате нет опасности потери влаги. Значения д¹³С в этих растениях варьирует от -34,5 до -20‰. Чаще всего встречаются значения в диапазоне ?24… ?27‰. Растения, фотосинтезирующие по типу С₄ (с участием цикла Хетча-Слэка-Карпилова) - те растения, у которых фотосинтез протекает с присоединением углекислого газа не к рибулозодифосфату, а к трехуглеродному соединению - фосфофенолпировиноградной кислоте, что приводит к образованию четырехуглеродного соединения - щавелево-уксусной кислоты. К этому типу относятся такие растения, как кукуруза, и некоторые другие злаки, преимущественно тропических и субтропических растений (сахарный тростник, сорго), эти растения приспособились усваивать углекислый газ при относительно закрытых устьицах, д¹³С в таких растениях варьирует от ?16 до ?8‰., наиболее часто встречаются значения ?12…?14‰. ^[22]. Если скорость почвенного дыхания высока, диффузия атмосферного СО₂ в почву затрудняется и углекислый газ почв по изотопному составу углерода близок к органическому веществу. Однако в областях с низкой биологической продуктивностью (аридные, арктические, горные районы) атмосферная СО₂ в больших количествах поступает в почвенный воздух и смещает его изотопный состав углерода в более тяжелую сторону, так как изотопный состав углерода атмосферы составляет от ?6 до ?7 ‰.

Значения д¹³С карбонатного материала кутан (рис.4) колеблются в широком диапазоне от ?6,3 до +8,1 ‰ (V-PDB). Наименьшие значения наблюдались в карбонатных рыхлых кутанах почв наиболее автономной позиции (АК-0), наибольшие в гумусово-карбонатных кутанах в почвенном профиле террасы озера (АК-8). Наблюдается утяжеление изотопного состава углерода от внутренних кутан к внешним (диапазон изменений 0,5-0,8‰), что говорит о дифференциации условий их формирования. Различие внешних и внутренних слоев кутан может говорить о разных соотношениях растительности С₃ и С_4, вероятно во время формирования более древних кутан вегетационный период был более влажным. Вероятно, механизм утяжеления изотопного состава углерода в более теплом и сухом климате, связан с изменением растворимости углекислого газа при увеличении температуры и со свойствами молекул СО₂, имеющих разную массу за счет присутствия легких и тяжелых изотопов углерода (¹²С и ¹³С). Мы полагаем, что, в сухом и теплом климате молекулы СО₂ с «тяжелым» атомом углерода легче растворяются, в молекулы СО₂ с «легким» атомом выходят из раствора, таким образом, в растворе (из которого в последующем осаждаются карбонаты) будет больше «тяжелых» молекул.

д¹³С карбонатных кутан палевого и иллювиально-карбонатного горизонтов значительно различаются, для более высоко залегающих карбонатов (залегающих в палевом горизонте BPL) характерны более положительные значения д¹³С. Это может говорить о многостадийности формирования карбонатного профиля исследованных криоаридных почв. В.А.Голубцовым с соавторами (2014) отмечены тренды противоположные нашим, то есть облегчение изотопного состава углерода во внешних (предположительно более молодых) слоях кутан первой группы по отношению к внутренним (более древним), которое может отражать увеличение интенсивности почвенного дыхания и/или повышение плотности растительного покрова. По их мнению, это может являться свидетельством некоторого улучшения условий для развития фитоценозов Прибайкалья. Возможно, что одним из ведущих факторов, повлиявших на подобные изменения, явилось повышение среднегодовых температур на исследуемой территории во время формирования натеков. Об этом свидетельствует корреляция облегчения изотопного состава углерода с увеличением значений д¹⁸О от внутренних к внешним слоям натеков.

В исследуемом нами случае изотопный состав кислорода кутан варьирует в меньшем диапазоне, значения д¹⁸О составляют от ?7,8 до ?11,6‰ на террасе озера Ак-Холь и трансэлювиальной позиции (АК-2), соответственно. Изотопный состав кислорода кутан облегчается со внутренних кутан к внешним (0,4-0.9‰). Для исследуемой нами территории, а также характерен холодный и сухой климат и крайне бедная растительность. Основываясь на уравненииях Т.Церлинга и Дж.Куэйда ^[23] и С.Дваркина c соавторами ^[24] и изотопном составе кислорода кутан можно примерно определить температуру при которой формировались предположительно более древние (нижние) и более молодые (внешние) кутаны. Значения, получаемые из по уравнению Т.Церлинга и Дж.Куэйда из значений д¹⁸О для нижних кутан равных ?8,6 и ?8,8 и для верхних ?9,0 и ?9,7, дают расчётную температуру в +8,2-7,8°С для более древних и +7,54-6,1°С для более молодых кутан, что довольно значительно отличается от современной среднегодовой температуры воздуха (?4,6 - ?3,9°С), подобное качественное различие получилось и при применении уравнения С.Дваркина и коллег. Мы полагаем, что такое большое различие маловероятно, но следует учесть то, что эмпирическое уравнение и коэффициенты разработаны для аридных территорий, где эффекты промерзания не влияют на изотопный состав почвенных растворов. Таким образом, можно предположить, что во время формирования кутан, чей возраст установлен А. Черкинским и М.А.Бронниковой с соавторами ^[19],[21] на данной территории как 6,0-7,3 тыс лет, условия менялись от влажных и теплых в сторону аридизации и похолодания. По мнению Т.А.Бляхарчук ^[20], реконструировавшей палеоландшафтные условия по колонкам донных отложений озера Ак-Холь, можно говорить о более теплых условиях 6 тысяч лет назад, поскольку в это время в котловине озера по данным палинологического анализа преобладали более теплолюбивые растительные ассоциации. Т.А.Бляхарчук говорит о температурах воздуха, превышающих современные на 5°С. Для озера Груша, в Джулукульской котловине также были отмечены более теплые и влажные условия в промежутке 8-5 тыс лет назад. Для байкальского региона ^[33] имеются данные о среднезимней температуре воздуха в Чарской котловине в период с 7,5 до 10 тыс. лет назад, она согласно изотопным данным варьировала от -26 до -21^оС, но большую часть времени составляла -26, -23^оС, т.е. была обычно заметно (на 3^о и более) ниже современной. Для более северных территорий ^[32] 6-7 тысяч лет назад условия были реконструированы как близкие к современным, за исключением более суровых зим. Таким образом, можно говорить лишь о локальной реконструкции температуры воздуха даже для близких, в частности это важно для межгорных котловин.

Для корректного исследования состава легкорастворимых солей (рис.5) в почвенных профилях был исследован также химический состав вод озера Ак-Холь и безымянного озера. Для вод озера Ак Холь характерна нейтральная реакция среды (рН = 6,9), низкая минерализация (18 мг/л, озеро ультрапресное), гидрокарбонатно-кальциевый состав. Воды минерализованного бессточного безымянного озера характеризуется более щелочной реакцией среды (рН = 7,6), минерализацией 400 мг/л (в 22 раза большей чем в озере Ак-Холь) и гидрокарбонатно-натриево-магниевым составом. Воды различаются по изотопному составу значение д¹⁸О вод озера Ак-Холь составляет ?15,19‰, значение д¹⁸О вод безымянного минерализованного озера составляет -6,13‰. Такое различие может говорить о разных источниках питания и в частности о связи более минерализованного озера с подземными водами. Следует отметить также утяжеление изотопного состава вследствие испарительного концентрирования.

Рис. 5 Состав водорастворимых солей почв Джулукульской котловины и рН водных вытяжек почв

Помимо собственно карбонатных кутан в исследуемых почвах в мелкоземе присутствуют и рассеянные формы карбонатов. Радиальное распределение карбонатов в мелкоземе почв криоаридной катены разрезы (АК-0, АК-8, АК-10) совпадает с изменением концентрации карбонатных новообразований в профиле, максимум наблюдается в иллювиально-карбонатных горизонтах ВСAic, максимальные значения достигают 2,18%. Величина рН варьирует по профилю в зависимости от содержания карбонатов от 5,7-6,2 в горизонте АК до 8,3-8,7 в горизонте ВСА, рН в бескарбонатном стратоземе серогумусовом водно-аккумулятивном (АК-10) варьирует от 5,7 до 6,0. Латеральное распределение карбонатов в мелкоземе почв катены согласуется с аккумулятивно-денудационными свойствами элементов рельефа. Был рассчитан коэффициент латеральной миграции (L) по средним значениям содержания карбонатов в иллювиально-карбонатных горизонтах почв относительно автономной позиции. Транс-аккумулятивные позиции (например, разрез АК-2) выположенных участков склона характеризуются накоплением карбонатов по сравнению с автономной АК-0. В транс-элювиальных позициях (АК-8) на борту террасированного уступа происходит вынос карбонатов по сравнению с автономной позицией. состав легкорастворимых солей исследованных почв преимущественно гидрокарбонатно-кальциево-магниевый. Сумма солей не превышает 0,2%. В разрезах автономной позиции (АК-0) и на пойме озера (АК-10) заметна роль хлоридов и сульфатов в общем составе водной вытяжки. В профиле почвы на террасе озера (АК-8) очевидно абсолютное преобладание карбонатов кальция и магния, также заметно участие калия. Криоаридно-гидрометаморфический ландшафт (разрезы АК-0, АК-ОЗ) сформировался на склоне ложбины стока талых ледниковых вод предположительно под воздействием современного гидроморфизма (влияние бессточного минерализованного озера), который наложился на воздействие экстрааридного климата и многолетнемерзлых пород (залегающих на глубине 2-3 метра на хорошо дренируемых позициях). Карбонаты в почвах представлены не только натечными новообразованиями в криоаридных типичных натечно-карбонатных почвах (на автономной и транс-аккумулятивной позициях, АК-0 и АК-1), но также и рассеянными в профиле карбонатами, а также карбонатной пропиткой солончака квазиглеевого и криоаридной гидрометаморфизованной почвы и солевыми выцветами на поверхности солончака квазиглеевого (АК-ОЗ). Почва разреза АК-ОЗ была диагностирована как солончак квазиглеевый, поскольку содержание солей в верхних 10 см превышает 1% и составляет 4,9%, также присутствует квазиглеевый горизонт Q. В профиле солончака в разрезе АК-ОЗ нет натечных карбонатных новообразований, но присутствуют гумусовые кутаны, профиль вскипает от 10% НСl с поверхности, на протяжении всего профиля рН щелочной (8,86 - 10,03). Самые высокие значения рН приурочены выцветам солей на поверхности почвы. Профиль криоаридной натечно-карбонатной гидрометаморфизованной почвы (АК-1), находящейся в транс-аккумулятивной позиции отличается накоплением карбонатов, вероятно подвергся влиянию вод безымянного озера, поскольку в составе легкорастворимых солей в водной вытяжке в составе водной вытяжки этой почвы магний доминирует над кальцием, так же как и в водах озера. При этом в солончаке непосредственно на берегу озера появляется еще и натрий. В целом большее количество карбонатов (до 10%) в разрезе на транс-аккумулятивной (АК-1) по сравнению с автономной позицией (АК-0), может быть связано тем, что разрез находится в мезопонижении, где происходит накопление вещества и слабый его вынос.

Заключение

Рассмотренные части склона южной экспозиции котловины озера Ак-Холь различаются по происхождению карбонатных новообразований и химизму почв. Радиальное распределение содержания карбонатов криоаридной катены в почвах показывает, что максимумы содержания карбонатов приурочены к горизонтам ВСА криоаридных почв, карбонаты присутствуют в почвах с поверхности, за исключением стратозема в супераквальной позиции. На радиальное распределение содержания карбонатов в мелкоземе почв криоаридно-гидрометаморфической катены влияет бессточное озеро, находящееся в ложбине стока талых ледниковых вод и возможно подпитывающееся подземными водами.

Латеральное распределение содержания карбонатов в почвах криоаридной катены согласуется с элементарными ландшафтами, то есть наблюдается накопление карбонатов (возможно остаточное) в транс- аккумулятивных позициях и вынос в транс-элювиальных.

В почвах криоаридной катены преобладают гидрокарбонаты кальция и магния, как и в новообразованиях в почвах этой катены, в то же время в почвах криоаридно-гидрометаморфической катены встречаются также и карбонаты натрия.

Генезис карбонатных корок (кутан) на нижних поверхностях обломочного материала вероятно связан с палеогидроморфизмом, на это указывает их местонахождение - древние террасы озера, которое вероятно служило источником карбонатов.

Преимущественно состав карбонатных новообразований определяют такие макроэлементы как кремний, кальций, железо, алюминий и магний. Можно говорить о накоплении таких микроэлементов как кобальт, мышьяк и медь в исследованных новообразованиях.

Наблюдается утяжеление изотопного состава углерода от внутренних более древних кутан к внешним (диапазон изменений 0,5-0,8‰), что говорит о дифференциации фитоценотических условий их формирования, а также различном составе углекислого газа в почвенном воздухе. Изотопный состав кислорода кутан наоборот облегчается со внутренних кутан к внешним, более молодым (0,4-0.9‰), подобный тренд в Южной Сибири ранее отмечен не был. д¹³С карбонатных кутан палевого и иллювиально-карбонатного горизонтов значительно различаются, для более высоко залегающих карбонатов (залегающих в палевом горизонте BPL) характерны более положительные значения д¹³С, что может говорить о многостадийности формирования карбонатного профиля исследованных криоаридных почв и более теплых и влажных условиях их формирования по сравнению с современными.

Авторы выражают благодарность Е.В.Терской, Л.В.Добрыдневой, Н.А.Буданцевой, Ю.Н.Чижовой за помощь в проведении химико-аналитических работ.

Библиография

1. Беус А.А., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1976. 248 с.

2. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555--571.

3. Волковинцер В.И. Степные криоаридные почвы. Новосибирск: из-во Наука, Сибирское отделение. 1978. 206 с.

4. Гидрогеология СССР. Том XVIII. Красноярский край и Тувинская АССР. М.: «Недра», 1972. 479 с.

5. Голубцов В.А., Черкашина А.А. Генезис карбонатных натёков в четвертичных отложениях Южного Прибайкалья // География и природные ресурсы. 2014. № 2. С. 62-70.

6. Голубцов В.А., Черкашина А. А., Пустовойтов К. Е., Штар К. Стабильные изотопы углерода и кислорода педогенных карбонатных кутан в чернозёмах южного Прибайкалья как индикаторы локальных экологических изменений // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1215-1227.

7. Гончарова О.Ю., Криоаридные почвы юго-восточного Алтая: Автореф. дис.... канд. биол. наук: 3.00.27. M., 1997. 26 с.

8. Гусев А.И. Постколлизионные и анорогенные гранитоиды Алтая. М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2013. 142 с.

9. Классификация и диагностика почв России / Авт. и сост.: Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И Лебедева, М.И. Герасимова. Отв. ред. Г.В. Добровольский. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

10. Лебедева М.П., Герасимова М.И., Голованов Д.Л., Ямнова И.А. Крайнеаридные почвы Илийской Котловины // Почвоведение. 2015. № 1. С. 14-30.

11. Михайлов Н.Н. «Озёрный период» на Юго-Восточном Алтае // География и природопользование Сибири. Барнаул: Издательство Алтайского Университета. 2001. Вып. 4. С. 143-153.

12. Носин В.А. Почвы Тувы. Изд-во академии наук СССР. М., 1963. 341 с.

13. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.

14. Петров Б.Ф. Почвы Алтайско-Саянской области. М.: Издательство Академии наук СССР, 1952. 247 с.

15. Почвы Горно-Алтайской автономной области / Под ред. Ковалева Р.В. - Новосибирск: Из-во наука, сибирское отделение. 1973. 351 с.

16. Пустовойтов К.Е., Таргульян В.О. Кутаны иллювиирования на щебне как источник педогенетической информации // Почвоведение. 1996. № 3. С. 335-347.

17. Смоленцева Е.Н. Криоаридные почвы Чуйской котловины Горного Алтая и проблемы их использования // Биоразнообразие, проблемы экологии Горного Алтая и сопредельных регионов: настоящее, прошлое, будущее: материалы Междунар. конф. (Горно-Алтайск, 22-26 сент. 2008 г.). Горно-Алтайск. 2008. Ч. 2. С. 275-280.

18. Сушкин П.П. Птицы Советского Алтая и прилегающих частей Северо-Западной Монголии. М., 1938. Т. 1. 316 с.

19. Bronnikova M.A., Agatova A.R., Cherkinskiy A.E., Shorkunov I.G., Turova I.V. Calcareous and humus-containing pendants as a proxy of Holocene environmental changes in mountains of the South Siberia // XIII International Symposium and Field Workshop on Paleopedology. 1-6 September, Torun, Poland. Program and Abstracts. Torun. 2014. P. 14- 15.

20. Blyaharchk T.A, Wright H.E. Borodavko P.S. van der Knaap W.O.,Ammann B. Late Glacial and Holocene vegetational history of the Altai Mountains (southwestern Tuva Republic, Siberia) // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2007. Vol. 245. P. 518-534.

21. Cherkinsky A., Bronnikova M., Turova I. 14C variation in layered coatings of soils as a proxy of Holocene environmental changes in mountains of the South Siberia // Radiocarbon in the Environment Conference 2014, 18-22 August 2014. Queen's University, Belfast. Book of abstracts. Belfast. 2014. P. 81.

22. Cerling T.E. The stable isotopic composition of modern soil carbonate and its relationship to climate // Earth and Planetary Science Letters. 1984. № 71. Р. 229?240.

23. Cerling, T.E., and Quade, J., 1993, Stable carbon and oxygen isotopes in soil carbonates, in Swart, P., McKenzie, J.A., and Lohmann, K.C., eds., Continental indicators of climate, Proceedings of Chapman Conference: Jackson Hole, Wyoming, American Geophysical Union Geophysical Monograph 78, p. 217-231.

24. Dworkin S.I., Nordt L., Atchley S. Determining terrestrial paleotemperatures using the oxygen isotopic composition of pedogenic carbonate // Earth and Planetary Science Letters. 2005. Vol. 237. P. 56-68.

25. Mann, D. H., Sletten, R. S. & Ugolini, F.C. Soil development at Kongsfjorden, Spitsbergen. // Polar Research. 1986. Vol. 4. P. 1-16.

26. Marion G.M. Verburg P.S.J., McDonald E.V., Arnone J.A. Modeling salt movement through a Mojave Desert soil // Journal of Arid Environments. 2008. Vol. 72. P. 1012-1033.

27. Pustovoytov, K. Pedogenic carbonate cutans as a record of the Holocene history of relic tundra-steppes of the Upper Kolyma Valley (North-Eastern Asia).// Catena. 1998. Vol. 34. P. 185-195.

28. Pustovoytov K.E., Pedogenic carbonate cutans on clasts in soils as a record of history of grassland ecosystems // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2002. № 177. P. 199-214.

29. Pustovoytov K., Schmidt K., Taubald H., Evidence for Holocene environmental changes in the northern Fertile Crescent provided by pedogenic carbonate coatings // Quaternary Research. 2007. № 67. P. 315-327.

30. Sheldon N.D., Tabor N.J. Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols // Earth-Science Reviews. 2009. V. 95. Р. 1-52.

31. Tedrow, J.C.F.: Development of Polar Desert soil // Quafernary Soils. Geo. Abstracts. 1978. P. 413- 425.

32. Vasil'chuk Yu.K., Vasil'chuk A.C. Ice-wedge formation in Northern Asia during the Holocene // Permafrost and Periglacial Processes. 1995. Vol.6. N3. P. 273-279.

33. Vasil'chuk Yu.K., Zaitsev V.N., Vasil'chuk A.C. A 14C-Dating and Oxygen-Isotope Diagram of a Holocene Reformed Ice Wedge on the Chara River (Transbaical Region) // Transactions (Doklady) of the Russian Academy of Sciences. Earth Science Section. 2006. Vol. 407. N2. P. 265-270.

34. Vogt T. Corte A.E. Secondary precipitates in Pleistocene and present cryogenic environments (Mendoza Precordillera, Argentina, Transbaikalia, Siberia, and Seymour Island, Antarctica) // Sedimentology. 1996. № 43. Р. 53-64.

Размещено на Allbest.ru