Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Первичные минералы в профиле подзолистых почв на главнейших типах разновозрастных ледниковых отложений Русской равнины

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Тимошенко, Екатерина Евгеньевна, Москва

61:

• " - I

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

ТИМОШЕНКО Екатерина Евгеньевна

ПЕРВИЧНЫЕ МИНЕРАЛЫ В ПРОФИЛЕ ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ НА ГЛАВНЕЙШИХ ТИПАХ РАЗНОВОЗРАСТНЫХ ЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ РУССКОЙ РАВНИНЫ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель - доктор биологических наук,

профессор В.Д. Васильевская

Москва - 1999

Оглавление:

Введение............................................................................2

Глава 1. История формирования почвообразующих пород в четвертичном периоде на севере Русской равнины...................4

Глава 2. Минералогический состав основных типов ледниковых отложений Русской равнины.......................................17

Глава 3. Объекты и методы исследования...............................39

Глава 4. Минералогический состав подзолистых почв................57

Глава 5. Роль подзолообразования в изменении минералогического

состава крупных фракций ледниковых отложений.........89

Выводы............................................................................97

Литература.......................................................................99

ВВЕДЕНИЕ

Глубокое изменение физико-географических условий в четвертичном периоде сыграло решающую роль в формировании современного облика севера Русской равнины и Балтийского щита. Чередование периодов оледенений и межледниковий привело к появлению разнообразных по генезису, составу и возрасту ледниковых отложений, которые, залегая на поверхности, повсеместно служат почвообразующими породами. В то же время, для вышеуказанных регионов одним из наиболее распространенных почвообразующих процессов является подзолистый. Следует учитывать, что подзолообразование характерно не только для голоцена, но и для периодов межледниковий, что подтверждается данными палеогеографических реконструкций. Изучение минералогического состава главнейших типов ледниковых отложений было бы неполным без учета тех изменений в составе почвообразующих пород, которые связаны с подзолообразованием.

Минералогии ледниковых отложений посвящено достаточно большое количество работ. Влияние подзолообразования на эти отложения также обсуждалось многими исследователями. Однако, практически во всех работах основное внимание уделяется изучению илистой фракции, а минералогический состав песчаных и пылеватых фракций обсуждается крайне редко. В тех случаях, когда такие исследования проводились, изучались, главным образом, тяжелые минералы. В то же время, исследованию минералов легкой фракции, доминирующих в составе подвергающихся изменениям четвертичных пород, посвящено

значительно меньшее количество исследований.

В нашей работе основное внимание уделяется изучению минералогического состава крупных фракций подзолистых почв. Такие исследования позволяют решать вопросы, связанные с масштабами разрушения минералов в процессе подзолообразования в почвах на различных типах ледниковых отложений. В связи с этим представляет интерес и оценка роли подзолистого процесса в изменении литологии ледниковых отложений. Исследования в области минералогии крупных фракций необходимы и для комплексной характеристики состава ледниковых отложений, для выявления зависимости состава пород от их возраста и генезиса.

Почвы, представленные в работе, образованы при совокупном действии процессов, приводящих к формированию подзолов, подзолистых или дерново-подзолистых почв с четко выраженным элювиальным горизонтом Е.

Объектами исследования явились гранулометрические фракции > 0,01 мм, выделенные из подзолистых почв Мурманской, Архангельской, Костромской и Московской областей. Все разрезы заложены в пределах распространения отложений валдайского, московского и днепровского оледенений. Почвообразующие породы различны не только по возрасту, но и по составу и генезису и представлены моренами, покровными суглинками, двучленными и флювиогляциальными отложениями.

ГЛАВА 1

История формирования почвообразующих пород в четвертичном периоде на севере Русской равнины

Современный облик Русской равнины формировался в эпоху плейстоцена, длительность которого составляет 600-700 тысяч лет. Эта самая непродолжительная геологическая эпоха сыграла исключительно важную роль в преобразовании всей физико-географической, обстановки земной поверхности благодаря периодически повторяющимся обширным материковым оледенениям и периодам межледниковий. Во время оледенений происходило интенсивное накопление осадков, которые в периоды межледниковий вовлекались в интенсивное гипергенное преобразование (Добровольский, 1960).

Прежде, чем перейти к рассмотрению палеогеографических данных, следует охарактеризовать основные типы почвообразующих пород, различающихся по генезису, возрасту и составу.

Ледниковые отложения выражены основной и конечной моренами разнообразного состава. Основная морена представлена обычно несортированными грубыми валунными суглинками и супесями с гнездами песка, а конечная морена - разнозернистыми валунно-галечниковыми песками, супесями и суглинками, сложно перемежающимися между собой. По своей природе моренные образования представляют продукт переработки ледником разнообразных кристаллических и осадочных пород, захваченных по пути его движения. Мощ-

ность моренных наносов неодинакова и меняется от 1-2 м до десятков метров (Герасимов, Марков, 1939; Рябченков, 19606). В качестве непосредственно почвообразующей породы моренные отложения выступают главным образом в пределах распространения Валдайского оледенения. Часто морены перекрыты с поверхности маломощным чехлом рыхлых отложений легкого механического состава (т.н. двучленные отложения).

Флювиогляциальные отложения представлены разнозернистыми песками, часто с галькой и валунами кристаллических и осадочных пород, реже супесями и суглинками. Они имеют более широкое распространение, чем моренные образования, внедряются в перигляциальную зону, встречаясь там в долинах и на водоразделах, покрывавшихся ледниковыми водами. К внутриледниковой области приурочены флювиогляциальные отложения, слагавшие озы и линзы в толще морены. Они образовались за счет продуктов размыва морены и других пород, слагавших ложе флювиогляциальных потоков, а также за счет обломочного материала, вымывавшегося изо льда. Этот материал подвергался различной, но все же небольшой сортировке в соответствии с различными размерами, мощностью и переменным режимом потоков (Рябченков, 19606).

Озерно-ледниковые осадки представлены тонкозернистыми песками, алевритами и ленточными глинами. Они приурочены к прилед-никовым и подпорным озерам в долинах рек и депрессиях, обращенных навстречу леднику. Источником питания для них служили в при-ледниковых озерах морена и кластический материал, вымывавшийся

изо льда. Во внутриледниковой области озерно-ледниковые отложения слагают звонцы и камы (последние могут быть сложены и флювиогля-циальными отложениями).

Аллювиальные образования имеют азональное распространение, - они слагают низменные равнины, заполняют речные долины и балки как в гляциальной, так и перигляциальной зоне. Являясь продуктом переотложения различных пород, размываемых потоком, они характеризуются весьма неоднородным петрографическим составом.

Делювиальные отложения тоже развиты в гляциальной и перигляциальной областях. Они приурочены к склонам водоразделов, моренных холмов и впадин, к наклонным равнинам, долинам, балкам и другим формам аккумулятивного и эрозионного рельефа (Материалы по генезису и литологии..., 1961).

Покровные суглинки также широко представлены на Русской равнине. Эти отложения встречаются преимущественно в области распространения московского оледенения, являясь для подзолистых почв одной из главных почвообразующих пород. На юг покровные суглинки распространяются до границ максимального оледенения и постепенно переходят в лессовидные породы. Покровными образованиями принято считать мелкоземистые четвертичные отложения, плащеобразно облекающие водоразделы, террасы и склоны речных долин. Отложения представлены безвалунными, обычно пылеватыми суглинками, залегающими на вершинах водоразделов, на склонах и террасах (Поляков, 1960; Роговой, 1962; Рябченков, 1960а; Самодуров, 1962). Их генезис до сих пор вызывает разногласия ученых.

Гипотезы, выдвигаемые разными авторами можно объединить в 3 группы: 1 группа - эоловое происхождение покровных суглинков; 2 группа - водное происхождение; 3 группа - элювиальное происхождение (солифлюкционные процессы; морозное выветривание; почвообразование).

Наибольшее распространение в настоящее время получила гипотеза флювиогляциального происхождения покровных суглинков, впервые выдвинутая К.Д. Глинкой. Он связывал их образование с водной средой и считал отложениями талых вод ледников.

Согласно «водной» гипотезе происхождения покровные суглинки отлагались при отступании ледника в спокойных широких разливах талых вод. Такие разливы могли образовываться в окраинной зоне оледенения в период распада льда на отдельные глыбы и линзы, залегавшие в понижениях и подпиравшие талые воды. Эти воды на первых порах убывания ледника могли свободно затоплять даже высокие водораздельные пространства (Герасимов, 1939; Герасимов, Марков, 1939; Поляков, 1960; Спиридонов, 1960).

М.М. Шукевич, исходя из данных о минералогическом составе покровных отложений, высказала мнение о том, что эти породы представляют собой верхнюю толшу морены, как бы взмученную в талых водах ледника (Герасимов, Шукевич, 1948).

По мнению других авторов покровные отложения имеют эоловое происхождение (А.И. Москвитин, И.Н. Салов и др.). Согласно их теории образование покровных суглинков происходило эоловым путем в

условиях холодного климата. Переносимый ветром материал многократно оседал и перевевался (Москвитин, 1976).

Почвенная теория образования лессов и лессовидных пород впервые была предложена в 1916 году JI.C. Бергом. Согласно этой теории, «лесс и лессовидные породы могут получать начало in situ из весьма разнообразных пород в результате выветривания и почвообразовательных процессов в условиях сухого климата. Некоторые породы однородного механического состава преимущественно склонны давать начало лессовидным породам, например - некоторые ледниковые и флювиогляциальные отложения, а также аллювий и делювий... Материнские породы лесса отлагались преимущественно в ледниковое время; превращение их в лесс происходило в сухие межледниковые эпохи и в сухую послеледниковую эпоху» (Берг, 1926).

Элювиальную гипотезу образования покровных суглинков обосновывают В.В Охотин, Г.П. Мазуров и М.В. Муратов. Они связывают образование пылеватых отложений с морозным выветриванием морен в условиях холодного континентального климата. Минералогический состав морены и покровных отложений ясно отражает условия их формирования. Химические процессы выветривания протекали в этих породах слабо. Вода, заполнявшая трещины и структурные пустоты, периодически замерзала, раздробляя минеральную часть и изменяя структуру пород. Таким образом, покровные отложения есть продукт изменения экзогенными агентами ледниковых пород, преимущественно морен, в условиях холодного и влажного климата. Под влиянием химических и

биологических факторов в дальнейшем происходило облёссование этих пород (Мазуров, 1959; Муратов, 1953;).

A.И. Попов предложил теорию нивального происхождения покровных суглинков, обосновывая её результатами наблюдения преобразования пород в современных условиях сурового климата. Ниваль-ный процесс представляет собой измельчение горных пород путем морозного выветривания. При температуре выше 0°С в том месте, где снежник соприкасается с горной породой; последняя обильно смачивается водой при таянии снега. Таким образом, вода легко проникает во все поры и трещины породы. Понижение температуры ниже 0°С приводит к замерзанию воды в капиллярах, трещинах и порах породы. Вследствие увеличения объема при замерзании, лед оказывает разрывающее действие. Приповерхностное морозное выветривание при частых переходах температуры через 0° постепенно измельчает материал до пылеватых фракций. Рыхлые отложения, залегающие на поверхности, бывают разбиты морозобойными трещинами. В трещинах залёживается снег, обуславливающий течение нивального процесса и образование нивального мелкозёма. Блоки, разделенные трещинами, благодаря нивальному процессу постепенно уничтожаются и на их месте возникает покров нивального мелкозёма, сходного по составу с покровным суглинком средней полосы Русской равнины (Попов, 1962, 1967).

К.И. Гренчук, обсуждая генезис пылеватых отложений, высказал гипотезу о решающей роли солифлюкции, как фактор денудации, характерного для субполярных и полярных стран (Гренчук, 1939).

B.C. Говорухин считал, что образование покровных суглинков

происходило путем переработки материнских пород в условиях вечной мерзлоты в зоне пятнистой тундры. Здесь в течение тысячелетий шёл процесс чередования циклов промерзания и оттаивания грунтов, сопровождавшийся постепенным изменением песчаных фракций и переходом во фракции пыли.

Интересна работа В.В. Иванова, в которой рассматривается возможность участия почвенно-элювиальных процессов в генезисе покровных отложений Севера. Изучение гранулометрического и микроагрегатного состава тундровых глеевых тяжелосуглинистых почв позволило автору выявить следующую закономерность: обеднение органогенных горизонтов почв на пониженных элементах рельефа частицами физической глины при увеличении содержания крупной пыли, обусловленное их интенсивным поверхностным выносом. Это явление может служить для объяснения одного из возможных путей образования пылеватости грунтов исходно тяжелого состава (Иванов, 1976).

Существующие разнообразные взгляды на происхождение покровных суглинков нельзя рассматривать как полностью друг друга исключающие. Каково в действительности их происхождение, можно установить лишь посредством детального сравнительного изучения покровных суглинков различных районов, используя комплексный метод исследования, т.е. изучение гранулометрического, минералогического, химического состава, текстуры, стратиграфических взаимоотношений с другими породами, характера залегания по элементам рельефа (Спиридонов, 1957, 1960; Рябченков, 1957, 1960а). Мы полностью разделяем взгляды авторов по данному вопросу.

Выше были рассмотрены главнейшие типы четвертичных отложений. Наиболее точные сведения об основных закономерностях их отложения, переотложения, а также преобразования дают палеогеографические реконструкции.

В начале плейстоцена на территории Русской равнины формировался эрозионно-денудационный рельеф с заполнением днищ древних долин грубообломочным аллювием. В условиях теплого и влажного климата на Русской равнине произрастали смешанные широколиственно-еловые леса с подлеском из лещины. В дальнейшем отмечалось широкое развитие осадконакопления озерно-бассейнового типа, происходило заполнение депрессий рельефа тонкослоистыми песчано-алеврито-глинистыми отложениями. В начале эпохи нижнего плейстоцена на Русской равнине наступило сильное похолодание, во время которого в центральных районах равнины развивалась лесостепная растительность перигляциального типа. Границы распространения ледника в этот период остаются дискуссионными. В последующее время климат становился теплее и появились сосново-березовые и еловые леса. В середине раннего плейстоцена на Русской равнине произошло обширное окское оледенение (500-470 тыс. лет назад). Морены ледника представляют собой очень плотную глину пестрой окраски, с большим количеством разнообломочного материала преимущественно карбонатного состава. Для окской морены, характерна тесная минералогическая связь с местными питающими провинциями. Большая часть грубообломоч-ного материала относится к новоземельским породам (Свиточ, 1989).

Послеокское время на Русской равнине началось с наступления лихвинского межледниковья (конец раннего плейстоцена - начало среднего плейстоцена). Собственно лихвинское потепление характеризуется климатическим оптимумом и развитием широколиственных лесов. Позже на Русской равнине началось похолодание и иссушение климата, широкое распространение получили березовые леса с примесью ели, сосны и ольхи, сформировались почвы подзолистого типа. Прогрессирующее похолодание привело к развитию холодных тундровых ландшафтов (Разрезы отложений ледниковых районов центра Русской равнины, 1977). В начале среднего плейстоцена произошло потепление климата (чекалинское), когда в центральных районах Русской равнины вновь появи