УДК 631.42

DOI: 10.24412/cl-36359-2021-169-175

ПРОФИЛЬНЫЙ БАЛАНС МИНЕРАЛОВ В КОРКОВОМ СВЕТЛОМ СОЛОНЦЕ СУХОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЮГА РОССИИ

PROFILE BALANCE OF MINERALS IN THE CRUST LIGHT SOLONETZ OF THE DRY-STEPPE ZONE OF SOUTH RUSSIA

Е.Б. Варламов, Н.А. Чурилин, А.Е. Каганова

E.B. Varlamov^*, N.A. Churilin, A.E. Kaganova

ФИЦ Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Москва, Россия

Federal Research Centre «V.V. Dokuchaev Soil Science Institute», Moscow, Russia

E-mail: evgheni968@rambler.ru

Аннотация. Выполнен детальный сопряженный качественный и количественный анализ глинистых и кластогенных минералов коркового солонца Заволжья. Описаны особенности минералогического состава и профильного распределения минералов. На условиях признания изначальной минералогической однородности почвенного профиля методом выбора стабильного компонента рассчитан баланс минералов. В качестве стабильного компонента использовано количественное содержание в профиле калиевого полевого шпата. Используя количественные данные профильного распределения минералов, был рассчитан баланс кластогенных и глинистых минералов, приведенный на содержание калиевого полевого шпата в породе. Балансовые расчеты минералов проведены на уровне потерь и прибавок их процентного содержания в генетических горизонтах по отношению к породе выраженных в кг/100 кг породы. Установленная в солонце при расчете распределения минералов в профиле скрытая неоднородность породы достоверно фиксируется балансом. Значения баланса глинистых минералов солонца отрицательные для надсолонцовых и положительные для солонцовых горизонтов. Привнос свежего материала в профиль солонца, приводит к формированию своеобразного профиля, а закономерности распределения минералов фиксируют вложенный профиль палеопочвы.

Ключевые слова: смешанослойные образования, иллит, хлорит, каолинит, слюда, кварц.

Abstract. Detailed conjugated qualitative and quantitative analysis of clay and clastogenic minerals was made for the crust solonetz of the Volga region. We described the features of mineralogical composition and profile distribution of minerals. The balance of minerals was calculated by the method of choosing a stable component providing that the initial mineralogical composition is homogeneous in the soil profile. Quantitative content of K-feldspar in profile is used as stable component. Using quantitative data from the profile distribution of minerals we calculated a balance of clastogenic and clay minerals, reduced for the content of K-feldspar in the rock. Balance calculations of minerals were made at the level of losses and increases of their percentage content in genetic horizons relative to the rock expressed in kg/100 kg of rock. Heterogeneity of the rock was showed in the solonetz and it was reliably fixed by the balance when calculating the distribution of minerals in the profile. The balance values of clay minerals in upper horizon the solonetz is negative and it is positive for the solonetz horizon. The introduction of fresh material into the solonetz profile leads to the formation of a peculiar profile, and the patterns of distribution of minerals fix the nested profile of the paleosoil.

Keywords: mixed-layer formations, illite, chlorite, kaolinite, mica, quartz.

Введение. Исследования минералогического состава солонцов посвящены работы большого количества авторов [2, 7, 9, 11]. Детальному профильному распределению минералов солонцов посвящены работы [12], где подробно описан характер, и особенности преобразования минеральной части солонцовых почв. Сравнение минералогического состава горизонтов и почвообразующих их пород позволяют выделить те компоненты, которые предположительно разрушаются при почвообразовании и выветривании, при этом, сравнение минералов в профиле не может ничего дать для оценки количества разрушенного материала. Для достижения этой цели служат балансовые расчеты. Существует несколько методов балансовых расчетов, среди которых наиболее широкое распространение имеют следующие; метод стабильного компонента и изообъемный метод. При изообъемном методе предполагается, что в почвах сохраняется текстура исходной породы. В методе стабильного компонента, помимо фиксирования профильного распределения минералов, это выделение наиболее устойчивой к выветриванию части, которая будет «свидетелем». Метод выделения наиболее устойчивого (стабильного) компонента минеральной массы почв был впервые применен П.С. Коссовичем [8]. В качестве критерия устойчивости компонентов в профиле почв он использовал отношение содержания окисла в верхнем, наиболее выветрелом горизонте к его содержанию в почвообразующей породе. Компонент, показывающий максимум такого отношения, обладает наибольшей устойчивостью и принимается за «свидетель» во всем почвенном профиле. Алексеев, [1], предложил несколько критериев для выявления особенностей генезиса и минералогии почв: использование отношения процента кварца к проценту слоистых алюмосиликатов; кварца к содержанию илистой фракции; кварца к полевому шпату в определяемом горизонте к таковому отношению в почвообразующей породе и другие показатели. Известно, что устойчивость минералов зависит как от условий как выветривания [6], так строения их кристаллической решетки. В большинстве работ в качестве наиболее устойчивого в почвах минерала рассматривался кварц. Наличие текстурной дифференциации по содержанию ила и щелочная реакция среды весьма агрессивной по отношению к минеральной составляющей не позволяет нам обоснованно использовать в качестве свидетелей глинистые минералы. В работе [10], при обобщении фактического материала пространственной зональности абсолютно устойчивых минералов сделали вывод, из которого следует кварц, является наиболее устойчивым минералам не во всех почвенных типах и что минералы, которые отнесены к абсолютно устойчивым, закономерно изменяются в зональном ряду почв. Работы, затрагивающие вопросы трансформации почв на исследуемой территории, единичны. [3, 15, 16]. Для изучаемых почв мы имеем возможность пренебречь денудацией и аккумуляцией вещества [14]. Проводя балансовые расчетные, можно детально установить в конечном итоге качественные и количественные изменения, которые произошли в почвах.

Цель работы: провести сопряженной минералогический анализ кластогенных и глинистых минералов и рассчитать не его основе профильный баланс минералов.

Объект исследования: для изучения были выбрана почва солонцового комплекса, расположенная в ключе Акоба – ЗК-3 Волгоградской области. Координаты разреза, возраст территории и особенности солонцов представлены в таблице 1. Участок не подвергался распашке.

Таблица 1. Морфологическая характеристика почвы солонцового комплекса

По структуре почвенного покрова территория характеризуется, как межпадинная равнина, покрытая комплексом солонцовых почв на микроповышениях, на фоне зональных светло-каштановых почв, которые сопряжены с лугово-каштановыми почвами микропонижений. По Полевому определителю почв России (2008) почва относится к солонцам светлым корковым карбонатным солончаковым. По WRB-2015 (IUSS Working Group WRB, 2015) – Calcic Gypsic Endosalic Solonetz (Columnic Cutanic Differentic).

Методика исследований. Фракционирование образцов проводились последовательным, исчерпывающим отмучиванием, по методике [5]. Карбонаты, гипс, легкорастворимые соли перед фракционированием удалялись. Изучен состав глинистых и кластогенных минералов в образцах: первые во фракции <1 мкм, вторые во фракциях >1мкм. Основным методом исследования в данной работе является ренгендифрактометрический. Этим методом велись исследования на универсальном рентгендифрактометре HZG-4A фирмы Karl-Zees Iena. Итоговые расчеты производились с применением программного обеспечения Дифрактометр-Авто версия 2014 разработчик ООО «Ирис». Образцы кластогенных минералов фракций более 1 мкм сняты в двух повторностях, образцы глинистых минералов фракции менее 1 мкм для диагностики особенности смешаннослойной фазы и других минералов сняты дополнительно: после сольватацией этиленгликолем и после прокаливания при 550°С в течении 2 ч. Диагностика минералов проведена по следующим методическим разработкам [4, 6, 17]. Нами в расчетах использовались данные количественного анализа кластогенных и глинистых минералов в весовых процентах, приравненные к кг/100 кг силикатного материала горизонтов к условной породе. Показатели объемной массы почвы к расчетам не привлекали, на том основании, что, по-видимому, невозможно доказать их постоянство на всем протяжении развития почвы. Итоговые результаты такого расчета балансовых потерь и прибавок по кластогенным минералам >1мкм представлены в таблице 2. В левой и средней части этой таблицы показаны исходное содержание кластогенных минералов в почве и их количество в генетическом горизонте, приведенное к содержанию калиевого полевого шпата в породе. С балансом глинистых минералов <1 мкм можно ознакомиться по данным таблицы 3. Таблица 3 построена по тому же принципу, что и для кластогенных минералов.

Результаты и обсуждение. Данные гранулометрического состава свидетельствуют о том, что изучаемая нами почва развита на крупнопылеватых-иловатых суглинках. Анализ характера распределения ила показал, что наиболее значимые изменения механического состава наблюдаются только в первом метровом слое почв и проявляются, главным образом, в накоплении на различной глубине ила. Меньше всего илистой фракции содержится в надсолонцовом горизонте SEL, и аккумулятивно карбонатном горизонте BCAs мощностью 2 см и 15 см соответственно. Наибольшее количество илистой фракций >30% содержат солонцовые горизонты BSN. В профиле имеется второй менее выраженный максимум содержания илистой фракции на глубине больше 70 см гор. Сса s1 содержащий около 20% ила. Наличие двух максимумов может свидетельствовать о литологической неоднородности почвенного профиля данного солонца.

Глинистые минералы илистой фракция почвообразующих пород тяжелых суглинков представлена смешанослойной (СМ) фазой, иллитом, хлоритом и каолинитом. Во фракции доминирует сложное неупорядоченное СМ образование с различным мотивом переслаивания смектита иллита и единичных пакетов хлорита. Каолинит при невысоком количественном содержании представлен несовершенной и совершенной формой. Хлорит представлен магнезиальной разновидностью.

Среди глинистых минералов в профиле преобладает неупорядоченное смешанослойное (СМ) иллит-смектитовое образованное. Распределение СМ фазы имеет элювиально-иллювиальный характер. Максимальное содержание СМ фазы отмечается в солонцовых горизонтах BSN, а надсолонцовый горизонт SEL характеризуется минимальным количеством СМ фазы. Внутри солонцовой части профиля имеются различия СМ фазы, где выделяются горизонты BSN1 и BSN2 максимально высоким содержанием смешаннослойных минералов, как во фракции, так и в пересчете на почву в целом табл. 2. В свою очередь горизонты BSN1 исследуемых разрезов имеет свои специфические особенности – более высоким содержанием лабильных минералов, представленных как индивидуальным смектитом, так и смешаннослойным иллит-смектитом с незначительным количеством хлоритовых пакетов. В гор. BSN3s СМ фаза отличается от вышележащих более высокой долей хлорита и отсутствием лабильного индивидуального смектита. Отмечается, аналогичное строение СМ фазы гор. BSN3s с гор. ВСАs,cs, по высокой доле хлоритовых пакетов и отсутствию индивидуального лабильного смектита. Тенденция увеличения в СМ фазе доли хлоритовых пакетов при сохранении соотношений иллита к смектиту распространяется и на нижележащие горизонты ВСАnc и Сca,s. Наличием признаков супердиспесности СМ фазы выделяются гор. BSN1, BSN2 и ВСАnc, Сca,s, что может свидетельствовать о реликтовой однотипности процессов почвообразования в указанных горизонтах изученного солонца.

Иллит в надсолонцовом гор. SEL имеет дифрактометрические свидетельства, о замещении части октаэдрического алюминия железом, что указывает на присутствие три-диоктаэдрических его форм. Малоугловая асимметрия основных рефлексов иллита, также свидетельствует о присутствии гидратированного, неупорядоченного смешанослойного образования иллит-смектита с высокой долей >>70% иллитовых пакетов. Установлена нарастающая тенденция, снижения глубь профиля гидратированных разновидностей иллита, начиная с солонцовой части гор. BSN. По своему кристаллохимическому строению и рентгенографическим параметрам диагностических рефлексов, иллит аккумулятивных-карбонатных гор. BCA мало отличается от иллита солонцовых горизонтов и существенно отличается гидратированностью от надсолонцового гор. SEL.

Каолинит в профиле представлен несовершенной структурой в гор. SEL, BSN1. Начиная с гор. BSN2 и ниже по профилю степень совершенства каолинита возрастает. Пониженное содержание каолинита в гор. SEL во фракции и при перерасчете на почву, может объясняться также и разрушением хлоритовых структур.

Хлорит. Характер рентгенографических данных позволяют нам диагностировать присутствие магнезиально-железистой разновидности хлорита. Распределение его по профилю небольшое и вариабельное с тенденцией вниз по профилю увеличения его содержания. Качественной минералогической особенностью хлорита является слабая устойчивость к разрушению в профиле, что находит отражение в его минимальном количестве в гор. SEL.

Таким образом, обеднение элювиальной части профилей частицами <1 мкм в силу их высокой дисперсности в наибольшей степени подвержены как разрушению, так и выносу в неразрушенном состоянии. Это связано с непрерывностью самого процесса выветривания и диспергации, в результате которых пополняются запасы глинистых минералов.

Кластогенные минералы представлены: кварцем, слюдами (биотит, мусковит) три-диоктаэдрического типа, калиевым полевым шпатом, плагиоклазом, хлоритом. Содержание в профиле этих минералов можно считать относительно равномерным, при этом, для каждого генетического горизонта отмечаются свои особенности по содержанию данных компонентов.

В гор. SEL наблюдается более высокое содержание кварца, слюды триоктаэдрического типа (биотит), калиевых полевых шпатов и пониженное содержание плагиоклазов, хлорита, каолинита. Два верхних солонцовых гор. BSN имеют минимальное содержание кварца в сопровождении слюды с преобладающей долей диоктаэдрической (мусковит) разновидности. Высокое содержание кварца отмечается и во всех аккумулятивно карбонатных горизонтах ВСА, а в переходном к материнской породе гор. Сса s1 и ниже по профилю его содержание несколько снижается. Увеличение содержания устойчивых к выветриванию минералов (кварца, калиевого полевого шпата) не только солонцовых, но и аккумулятивно-карбонатных горизонтов можно связать с интенсивным физическим дроблением фракции >10 мкм до пылеватых размерностей. В свою очередь дальнейшее дробление пылеватых частиц до размера илистых приводит к пополнению ими илистой фракции. Увеличение доли указанных минералов является суммарным результатом, как разрушения частиц, так и выноса их продуктов в форме окислов и обеднения верхней части профиля частицами <1 мкм вследствие перемещения пептизированных глинистых минеральных частиц вглубь профиля.

Примечание к таблицам 2-3: Мгп – содержание минерала в горизонте. приведенное к содержанию КШ в породе; Мд – убыль (прибавка) минерала в сравнении с породой; КВ – кварц; П – плагиоклазы; КШ – калиевые полевые шпаты; С – слюды; Х – хлорит; КЛ – каолинит; СМ – смектит; И – иллит; Бпм – баланс кластогенных (первичных) минералов; Бгм – баланс глинистых минералов; Бо – общий баланс минералов.

Таблица 3. Баланс минералов фракции < 1 мкм и общий баланс минералов