МИГРАЦИЯ И АККУМУЛЯЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ КРЕМНИЯВ ОБЛАСТЯХ ВЛАЖНОГО ТЕПЛОГОИ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА

К.И. Лукашевым и его сотрудниками описаны явления гидрогенной аккумуляции кремнезема в лёссах, сапропелях и водно-ледниковых отложениях Белоруссии (1969, 1971). Данные А.П. Жузе (1966) показывают, что в озерах и болотах севера идет интенсивная современная аккумуляция тонкодисперсного опаловидного кремнезема в виде диатомита, трепела и прослоек опала (Исландия, Гренландия, в нашей стране Карелия, Кольский полуостров, Таймыр, Ленинградская область, Чукотка, Полесье и т.д.).

Аккумуляция осадков кремнезема, окислов и фосфатов железа из растворов при их испарении обнаружена В.А. Ковалевым и А.Л. Жуховиц- кой (1977) в торфяниках Белоруссии. Белесые ’’присыпки” являются опалами, частично халцедоном и кварцем, обычными спутниками этих минералов, кроме того, они содержат карбонаты кальция и примесь гипса. Иногда скопление таких вторичных минералов приводит к цементации и образованию плитняка. В профиле дерново-подзолистых, серых лесных почв и солонцов часто обнаруживают заметное абсолютное накопление кварца в горизонтах At, А2, В. Это обычно объясняется остаточным накоплением и изменениями объемного веса почв (Приходко, 1975). Но, принимая во внимание малую мощность элювиальных горизонтов и гидро- морфное прошлое этих почв, правильнее считать, что новообразование кремнезема происходило из капиллярно-грунтовых вод, в которых всегда присутствовала растворенная кремнекислота, поступая со стороны возвышенностей при их десиликации. Между тем накопление кремнезема (аморфного кварца и других форм) очень часто наблюдается не только в подзолистых гидроморфных почвах, но и в гидроморфных почвах вообще (табл.

Известный исследователь пойм Русской равнины В.И. Шраг (1969) обращал внимание на ’’своеобразие” процессов оподзоливация пойменных почв долин Оки, Клязьмы, Белой, Днестра и др. Рассматривая наличие обильной ’’кремнеземистой присыпки” в серых лесных, черноземовидных, дерновых почвах пойм как признак и результат оподзоливания и наблюдая скопле-

Таблица 44. Накопления кремнезема в гидроморфных почвах, % (по данным Р.В. Ковалева, Н.И. Базилевич)

Таблица 44 (окончание)

ния присыпки в различных формах на разных глубинах почвенных профилей (иногда в гор. А2, иногда в гор. В, иногда в гор. С и т.д.), Шраг объяснял это сменой литологии наносов, колебаниями климата, изменениями растительности, т.е. считал эти признаки реликтами прошлого.

Грунтовые воды в поймах и различных депрессиях всегда лежат очень близко к поверхности, используются растениями и испаряются. Естественно, что на уровне высокой поймы, вторых и третьих террас сложившаяся вертикальная дифференциация горизонтов (Si02 выше, R203 глубже) сохраняется на тысячелетия. В условиях лесного ландшафта после повышения местности происходит даже усиление промывного режима таких почв.

Детальные исследования почвенного покрова Смоленской области, выполненные Б.Г. Розановым и сотрудниками кафедры почвоведения МГУ, уже в конце пятидесятых и в шестидесятых годах показали, что мощность подзолистого горизонта (А2), его морфологическая и химическая выражен несть, а также степень кислотности возрастают по мере приближения к поверхности уровня грунтовых вод и усиления признаков оглеения профиля. Добавим к этому, что периодическая смена аэробного режима анаэробным и обратный процесс могли вызвать образование сульфидов и периодическое подкисление среды вследствие эфемерного возникновения слабых растворов серной кислоты при окислении сульфидов.

Обильная кремнеземистая присыпка в подзолистых и серых лесных почвах ополий (на глубине 0,5—2 м) образует своеобразный почвенно-геохимический кремнеземистый пояс на обширных пространствах между степями и лесами Русской равнины, Сибири, Забайкалья, Приамурья, Маньчжурии. Видимо, этот пояс возник путем осаждения кремнезема из ледниковых и послеледниковых вод со стороны моренных отложений, богатых измельченными обломками изверженных и метаморфических пород и выносивших большие количества кремнезема гидролитического выветривания.

В условиях периодического промерзания почв кремнезем выпадает в осадок из поверхностных и грунтовых вод в виде присыпок, песчинок и опаловидного материала.

Многие ученые (MiPot, 1959) считают, что превращение аморфного кремнезема в кварц происходит сравнительно быстро. Так, присутствие вторичного кварца было установлено Е.И. Парфеновой (1947) в подзолистых почвах Московской области. Выпадение кремнезема в осадок и его быстрый переход во вторичный кварц в аридных условиях при испарении растворов описаны автором для Египта. Кремневые коры молодых солончаков Африки обычно обогащены вторичным кварцем.

В условиях I и II надпойменных террас долин на пониженных плохо дренированных равнинах Европейского Севера, на древних террасах черноморских влажных субтропиков или террас Амазонки в Бразилии образуются лугово-глеёвые, глеево-подзолистые почвы, мощные оглеенные подзолы (А2 до 40—60 см) с близкими грунтовыми водами. Грунтовые воды разгружаются в таких депрессиях и террасах, осаждая при этом полуторные окислы и кремнезем. Кремнезем горизонта А2 является в большой мере продуктом гидрогенной аккумуляции из испаряющихся и транспири- руемых восходящих капиллярных растворов грунтовых вод, лежащих на глубине 1—2 м. Под горизонтом А2 образуется ортштейновый или латеритный горизонт В путем осаждения соединений железа, марганца, алюминия (нередко органики) из капиллярной каймы грунтовых вод под влиянием эвапотранспирации и окисления. Так возникает типичный профиль подзола и подзолистых почв, тем более выраженный по мощности, чем ближе уровень грунтовых вод и хуже их естественный отток. Подобное же явление широко распространено в Белоруссии, в Смоленской, Московской, Новгородской и других областях Севера СССР. И именно такие почвы В.В.

После неотектонического поднятия местности на уровень И—III террас или водоразделов резко дифференцированный Ai-A2-B профиль глеево- подзолистых почв унаследуется в автоморфном режиме и даже усиливается под влиянием неоэлювиального процесса, уже без участия грунтовых вод. Таким же путем массы вторичного тонкокристаллического аморфного кремнезема и кварца осаждаются вокруг живых мочковатых корней

Таблица 45. Состав опаловых натеков и корочек (5%-ная вытяжка КОН), %

древесных растений, образуя ’’кремнеземистую присыпку” в виде налетов, пятен, ’’гнезд” или ’’гроздьев” на глубинах 20—80—100 см серых лесных и подзолистых глеевых почв (Назаров, 1976). Выпав из раствора, осадок кремнезема кристаллизуется, превращается в кварц (рис. 65, 66). Уничтожение лесов завершается минерализацией и исчезновением корешков, и ’’гроздья присыпки” делаются труднообъяснимыми. Развитие дернового процесса после вырубки лесов маскирует границы горизонта А2 сверху за счет гумификации; образуются дерново-подзолистые (послелесные) почвы.

В связи с этим интересны данные И.Н.

Г.В. Добровольский, изучая поймы Русской равнины, отмечал (1968), что в составе новообразований гидроморфных пойменных почв (прикорневые трубочки, ортштейны, охристая масса и т.д.) всегда преобладают окислы железа; на втором месте находятся аморфные и окристаллизованные формы соединений кремнезема, а также некоторое количество окислов алюминия и органическое вещество. По данным этого же исследователя, свежеосажденные гели (сгустки), выпадающие в осушительных каналах Раменской поймы, содержат 23—35% органических веществ, 5—8% кремнезема и 0,1-1,1% окислов алюминия. Эти новообразования, бесспорно, гидрогенного происхождения. Особенно интересны данные Г.В. Добровольского о сезонном - накоплении осадков подвижного кремнезема в

Рис. 65. Образование кристаллов в ризосфере мочковатых корней ели. Лапинский разрез, Московская область, дерново-подзолистая почва (рисунок с натуры)

1 — оплывшие зерна первичного кварца, 2 — новообразования кристаллического кремнезема (Назаров, 1976, 1983)

Рис. 66. Биогенные формы кристаллов в ризосфере мочковатых корней ели (Назаров, 1983)

торфяно-глеевых почвах за время с мая по ноябрь 1960 г.(до 7,9 мг Si02 на 100 г почвы). Сезонное накопление кремнезема происходило из неглубоких (80 см) грунтовых вод с максимумом в горизонтах 30—40, 50—60 или 5—15 см (Добровольский, 1968).

Подзолистые почвы террас рек Волхова, Волги, Оки, Клязьмы, Москвы, Шексны, Мологи, Днепра, Припяти и других образовались именно в сходных или подобных гидроморфных условиях и геохимическом режиме. Значительная часть полуторных окислов в профиле и в горизонте В, Si02 осветленного белесого горизонта А2 и кремневая присыпка профиля этих почв образовались путем гидрогенного накопления из грунтовых вод. Оподзоленные глеевые почвы поймы р. Клязьмы и Мещерской низменности сплошь по профилю обогащены конкрециями полуторных окислов. В белесом горизонте А2, обогащенном кремнеземом, их особенно много (Добровольский, 1968). Интересно отметить, что реакция горизонтов до глубин 150—160 см иногда нейтральная (pH 7,6) или слабокислая (pH 5,6— 5,8), что подтверждает частично аккумулятивный режим этих ландшафтов.

Ф.Р. Зайдельман (1975) приводит убедительные данные, иллюстрирующие наше положение о процессах гидрогенной аккумуляции окислов железа и марганца из капиллярной каймы грунтовых вод в заболоченных почвах за счет бокового притока.

Явления оглеения (по мощности и цвету) и ожелезнения почв выражены тем сильнее, чем ближе их уровень и слабее отток грунтовых вод. Однако следует учесть, что на каждый миллиграмм пришедшего со стороны и вторично аккумулированного (гидрогенным путем) железа должно приходиться не менее одного-двух миллиграммов растворенного кремнезема. Растворенный кремнезем не подвержен влиянию колебаний окислительновосстановительного потенциала. Кремнезем будет выпадать в осадок в виде силикатов либо в аморфном и кристаллическом виде в местах испарения, транспирации или замерзания растворов, т.е. выше горизонтов ожелезнения, и вокруг мочек корневых систем растений. Этим следует объяснить установленную Б.Г. Розановым и Ф.Р. Зайдельманом корреляцию между оглеением, ожелезнением и степенью выраженности оподзолен- ного горизонта. Но существо проблемы заключается в том, что в пятнистых или сплошных белесых, мучнисто-белых, светло-серых горизонтах глеевых и глеево-подзолистых почв идет не относительное накопление остаточного кремнезема, а абсолютное,- так же как и полуторных окислов. Этим и объясняются явления совместного нахождения R203 и Si02. Все эти явления отчетливее проявляются в почвах пойм и 1-х террас при близких грунтовых водах (1,0-2,0 м) и особенно при легком механическом составе субстрата.

Режимные наблюдения, проведенные Ф.Р. Зайдельманом (1975) на территории Рузского стационара, показали существование бокового притока почвенно-грунтовых вод и расходование их через капиллярную кайму в почвах на транспирацию и испарение. Уровень грунтовых вод по сезонам и годам в большинстве случаев не опускался глубже 150—130 см. Лишь в особо сухие годы уровень грунтовых вод снижался за счет транспирации и испарения до 2,5-2,7 м. Именно в эти сезоны и годы происходило особо сильное гидрогенное обогащение профиля почв снизу соединениями марганца, железа, алюминия, кремния и органическим веществом и вторичными глинистыми минералами.

Сходные факты наблюдались и другими исследователями пойменных и террасовых почв Русской равнины. Так, судя по материалам И.Т. Кузьменко и др. (1977), в пойменных почвах рек Оки, Клязьмы, как правило, по профилю и особенно на глубинах 10—30 см наблюдаются гнезда и скопления кремнеземистой присыпки или даже сплошные белесые горизонты и прослои. Очень часто глубокие горизонты этих почв содержат карбонаты кальция, выпавшие из восходящих капиллярных растворов от грунтовых вод (2—1,5 см).

Такие же новообразования обнаружены И.Т. Кузьменко и др. (1977) в почвах пойм рек Птары (приток Оки) и Угры. Иногда ’’белесый” горизонт А2 с интенсивной присыпкой лежит непосредственно под дерниной, очень часто - во втором полуметре в виде гнезд и прослоев. Почти всегда он подстилается горизонтом, в разной форме обогащенным окислами железа и марганца. И все это сочетается с нейтральной или слабощелочной реакцией среды (pH 7,5—8,4) и присутствием углекислого кальция (вскипание с НС1, иногда бурное, так как С02 карбонатов составляет 0,5—3,2%). Такие почвы нельзя считать дерново-подзолистыми, несмотря на их внешнее сходство. Это все почвы начальной стадии гидрогенной аккумуляции кремнезема совместно с карбонатами кальция и полуторными окислами, как это теоретически предсказано и не раз было иллюстрировано нашими исследованиями. Эти факты подтверждают нашу идею, что в основном классический профиль подзолистых почв (А!—А2—В, С) закладывается на гидроморфной стадии развития ландшафта.

Интересный материал собран Н.А. Караваевой (1973) в тайге Западной Сибири. Этот материал убедительно иллюстрирует процессы гидрогенного формирования цементированного ортзандового (ожелезненного Вк) горизонта в толще капиллярной каймы неглубоких грунтовых вод (1-2 м) равнин Васюганья. Этот горизонт, как и должно быть в подобных условиях, растет снизу вверх. Параллельно этому развивается все более выраженное оглеение почвы и оподзоленный горизонт А2; формируется спектр А1—Fe-гумусовых подзолистых почв.

Испарение и транспирация здесь в сумме могут составлять до 300— 500 мм в год. Грунтовые воды, испаряясь, отдают в осадок (в орт- зандовый и В горизонты) не только окислы алюминия и железа, но и органическое вещество (его концентрация 25—150 мг/л С) и кремнезем, который присутствует в растворе в количестве 10—20 мг/л Si02. Грунтовые воды здесь нередко ’’жесткие”, т.е. содержат растворы Са(НС03)2; поэтому в горизонтах С таких подзолистых почв обнаруживаются скопления углекислого кальция (также гидрогенного происхождения, но, возможно, более сухого периода). Выпадение в осадок растворенной органики и соединений Al, Fe, Si (в виде окислов или органо-минеральных образований) происходит не только под влиянием эвапотранспирации, но и при длительном замерзании влаги в почвах (как доказано экспериментально для S'02) .

Из данных Н.А. Караваевой (1973) с очевидностью следует, что чем сильнее выражены ортзандовый и В горизонты, тем резче и мощнее развит горизонт накопления соединений кремнезема, т.е. горизонт А2 будущих подзолистых почв. Судя по всему, в условиях древних водно-аккумулятивных равнин Западной Сибири широко рдспространено обогащение верхнего горизонта профиля подзолистых почв и серых лесных почв вторичными соединениями кремнезема. Это, например, хорошо иллюстрируется многочисленными данными по морфологии и химическому составу различных серых лесных и оподзоленных почв древних террас Новосибирского Приобья (Тюменцев и др., 1975) . Уже заторфянениые почвы и почвы явно болотного режима или грунтового увлажнения (растительность с осокой, хвощом, вейником, мхом) обогащены по всему профилю или преимущественно в горизонте В на глубинах от 1—26 до 64—75 см и глубже кремнеземистой присыпкой и валовым кремнеземом. То же обнаруживается и в серых лесных почвах, которые обогащены вторичной кремнеземистой присыпкой по всему профилю, от поверхности (10-20 см) до глубины 70—110 см. И в тех и в других почвах нередко встречаются еще не выщелоченные скопления вторичного углекислого кальция (вскипание со 112-130 см) или же горизонты 40—138 см обнаруживают реакцию среды, не имеющую ничего общего с подзолистыми почвами (pH 6,7—1,5). В этих почвах есть новообразования полуторных окислов древнего или современного (по нашей интерпретации) гидрогенного происхождения.

При отсутствии грунтового увлажнения и при господстве промывного режима в условиях высоких грив или естественного повышения местности карбонаты кальция и другие растворимые соединения выносятся полностью, а полуторные окислы начинают мигрировать в нисходящем направлении. Кремнеземистая присыпка и вторичный кварц остаются на месте своего гидрогенного выпадения в осадок, т.е. в горизонте А2. Гидроморфные почвы активного накопления кремнеземистых минералов и минералов полуторных окислов при этом переходят в серые лесные или подзолистые почвы с аккумулятивно-иллювиальными формами полуторных окислов.

Интересные сведения современных процессов миграции и аккумуляции кремнезема проведены в Барабинской низменности (Западная Сибирь) под руководством Р.В. Ковалева (1977). Результаты этих исследований приведены в табл. 46.

Глубины уровня грунтовых вод в изученных гидроморфных ландшафтах в течение года колеблются в пределах 180—370 см. При 10%-ной гравитационной скважности расход грунтовых вод на эвапотранспирацию составляет около 370 мм в год. Расход грунтовых вод на испарение и транспирацию через капиллярную кайму ведет к гидрогенному обогащению верхних горизонтов и профиля почв соединениями Si, Fe, А1, органическим веществом и растворимыми солями.

По расчетам сибирских почвоведов, почвы ежегодно получают в верхние 0—40, 0—50 см по 53-55 кг/га Si02, а в толщу 0—200 см — до 80—100 кг/га Si02. Одновременно накапливается по нескольку килограммов на гектар Fe203, А1203 и даже до 1 кг/га ТЮ2. Чем ближе к поверхности уровень грунтовых вод, тем сильнее выражено накопление кремнезема в верхних горизонтах, а несколько глубже — полуторных окислов. Осолодение и оподзоливание почв, если иметь в виду накопление кремнеземистой присыпки и образование горизонтов А2, оглиненных и обогащенных полуторными окислами горизонтов В, протекает, как нами было предсказано еще в 40-е годы, по типу переменного гидрогенного накопления в сухие и морозные сезоны и промывного режима во влажные. Гидрогенное оглинение, уменьшая нисходящую фильтрацию влаги в почвах, вызывает, как вторичный процесс, формирование псевдоглеевых (висячего глея) горизонтов[X].

Убедительные примеры возможности активного гидрогенного накопления кремнезема в почвах можно найти в иа тедованиях А.А. Соколова (1977) , посвященных почвам Восточного Казахстана. А.А. Соколов вообще допускает возможность образования присыпки кремнезема ’’под влиянием сезонных верховодок”. Он указывает на существование" процесса выпадения кремнезема из растворов, образующихся при выветривании горных пород. Этим путем образуются прослои обильной кремнеземистой присыпки в глубоких подпочвенных горизонтах слабооподзоленных почв, темноцветных и лугово-черноземных почв Казахстана.

Сходные явления миграции и аккумуляции кремнезема отмечает Г.И. Иванов (1976) для почв и ландшафтов юга Дальнего Востока. Для природных вод этого региона характерна повышенная концентрация кремнезема (Si02 25—30 мг/л). В почвах недренированных и малодренированных

Таблица 46. Химический состав природных вод Барабинской низменности

Рис. 67. Схема расположения почв по рельефу вблизи Тамьян Лайян в Индонезии 1 — гидроморфные подзолы; 2 — глубокие влажные гумифицированные почвы; 3 - гигантские подзолы; 4 — гидроморфные подзолы (Driessen et al., 976)

Рис. 68. Сезонное содержание Si02 и А1203 в засоленных мангровых почвах Сенегала 1 — сухой период, 2 — влажный период: I—VII — разрезы, расположенные по рельефу и с увеличением засоленности (Vietllefon, 1974)

почвах тропиков и субтропиков. При pH 2—3 даже кварц отдает в растворы 8 мг/л Si02. В почвенно-грунтовых водах мангровых засоленных почв дельтовых низменностей Сенегала концентрация Si02 составляет 20— 50 мг/л, а максимум в поверхностных горизонтах достигает в засушливые сезоны 90-100 мг (рис. 68) . Естественно, что испарение этих растворов сопровождается выпадением кремнезема в осадок в виде аморфного геля, который затем кристаллизуется. Вековая продолжительность этого процесса приводит к образованию белесого кремнеземистого горизонта Ai— А2, подстилаемого снизу скоплениями R203 и гидрогенных глин, выпадающих в осадок в нижней части капиллярной каймы грунтовых вод (рис. 69).

Итак, процессы миграции и аккумуляции соединений кремнезема в почвах - явление универсальное. Элювиальные и горноэлювиальные ландшафты преимущественно отдают подвижные соединения кремнезема. Транзитно-аккумулятивные и аккумулятивные гидроморфные ландшафты с транс- пирационным и испарительным балансом почвенно-грунтовых вод, наоборот, геохимически обогащаются вторичными соединениями кремнезема. При этом соединения типа осадков кремнезема (опала, халцедона, вторичного кварца) образуют в профиле почв ’’присыпки” и скопления, белесые и светлые горизонты Ai— А2 глеево-подзолистых почв,подбелов,солодей, мангровых почв, а в аридных пустынях и полупустынях — кремневые хардпены и кремневые коры солончаков.

При совместной миграции с полуторными окислами соединения кремнезема участвуют в формировании гидрогенных алофанов и глинных минералов. Часть кремнезема, поступившего при выветривании в почвенные, грунтовые и наземные воды, расходуется на реакции ресиликации гидроокислов алюминия и железа в каолинит, а последнего - в иллит, вермикулит и монтмориллонит. Процессы гидрогенного глинообразования происходят непрерывно в почвах и породах транзитных и аккумулятивных ландшафтов. Значительная часть кремнезема, поступившего при почвообразовании и выветривании в природные воды, уходит с их стоком в моря и океан, участвуя в морском цикле седиментации.

Учитывая эти факты, необходимо признать, что в эволюции подзолистых почв таежных, умеренно лесных, влажно-субтропических или влажно-тропи-

Рис. 69. Вторичные аморфные скопления кремнезема в гидроморфных почвах Сенегала (Vietkfon, 1974)

ческих областей существуют два основных этапа — стадии. Стадия глеево- гидроморфная, когда при общем выносе легкорастворимых компонентов из ландшафта сезонное и периодическое испарение и транспирация капиллярной влаги близких к поверхности грунтовых вод ведут к образованию глеевых подзолов и глеево-подзолистых почв. Это происходит путем выпадения в осадок и накопления полуторных окислов в нижней части профиля почв (горизонты ВС и В), а соединений кремнезема (включая вторичный кварц, опалы, халцедон, диатомовые, фитолитарии) — в горизонте А и особенно в горизонте А2, где имеет место наиболее полное испарение восходящих капиллярных растворов. В некоторых случаях в горизонтах В и ВС при этом происходит также гидрогенное накопление углекислого кальция и органического вещества, принесенных со стороны грунтовыми потоками.

Вторая стадия подзолообразования, более зрелая — автоморфная. Она наступает после тектонического поднятия террас, низменностей, депрессий и после снижения уровня грунтовых вод. Эта стадия сопровождается большей выраженностью окислительного режима, промывного водного баланса почвенного профиля, интенсивным выносом растворимых солей и закреплением унаследованного А—А2-В—С профиля.

Белесые кварцевые горизонты и кварцевая присыпка в почвах гидро- мофного или палеогидроморфного типов являются в большинстве случаев не остаточными образованиями, а продуктами геохимической аккумуляции кремнезема из капиллярных растворов грунтовых вод при их испарении, замерзании и потреблении организмами в транзитно -аккумулятивных ландшафтах. />Вырубка лесов, появление травянистой растительности и культурное земледелие могут обусловить формирование дерново-подзолистых окультуренных почв. Эрозия и смыв верхних горизонтов почвы на склонах приводят к выходу на поверхность древних оглиненных и ожелезненных горизонтов в виде кирас и латеритов, столь характерных для холмистых районов влажных тропиков и субтропиков.